研究目的 - 使用CFD分析以太陽能驅動風扇之汽車降溫系統

過一段時間的汽車，如果放在大太陽底下曝曬，車內的溫度往往會超過 60℃以上（杜鳳棋等人）[11]，這樣會使得車內快速散發出有害人體的有機污染物氣體。

基於上述理由，設計一套系統如圖 2.1，2.2 所示，利用太陽能板轉換電能驅動風扇，將車內高溫排出，並將室外較低溫之空氣引入車內，使汽車室內外空氣形成強制對流，藉此裝置系統達到降低車內溫度的效果，且本系統當汽車停車後未達設定溫度時系統不會啟動，當溫度到達系統設定溫度時，系統啟動風扇強制對流，當車內溫度達設定溫度時系統停止運作，太陽能板即可進行蓄電，並運用 AcuSolve 模擬軟體分析，觀察車內溫度變化並與實際實驗進行比對驗證，進而以軟體分析其他 CASE 不同風速變化，解析最佳化之運用。

太陽能板+風扇

圖 2.1 本系統成車組裝示意圖

圖 2.2 本系統裝置開啟關閉示意圖

第三章研究方法

在太陽光照射下便可蓄集電力；太陽能板設計鋪蓋在車頂的上方，可

抽進氣單元，其中抽氣單元的主要元件包括有風扇，其中風扇安性電線(Flexible electric cord)串接透過集電板，將會轉換成電能，而電能係儲存在可充電電池中。

圖 3.1 系統運作示意圖

圖 3.2 系統之組合圖

圖 3.3 本系統之之盒體分解圖

圖 3.4 本系統之功能方塊圖

圖3.5 論文之進行步驟圖

第3.2節可行性分析 Galerkin/Least‐Square (GLS)有限元演算法和革新的線性方程反覆運算求解技術使其成為汽車設計中強大的CFD求解器。基於GLS有限元方

控制方程式-質量/動量(Governing Equations–Mass/Momentum)。

非定常，可壓縮 Navier-Stokes 方程式 ( Unsteady, compressible, Navier-Stokes equations)。

techniques for modeling convection (forced and natural), conduction and radiation)。

(3.1)

(3.2)

(3.3)

物理模型建立，本研究之實驗車輛為 NISSAN MARCH(圖3.6)，

為了分析車內流場與溫度，依實際車體為主要建構基礎，車體內部內裝構成複雜，方向盤，照後鏡，及門板扶手造型給予合理化的簡化如(圖 3.7、3.8)，車體3D立體圖如圖3.9所示，為可視內部座椅及儀表排列，

車體側面先移除顯示。

圖3.6 NISSAN MARCH 汽車3D 視圖

圖3.7 NISSAN MARCH 汽車側視圖

圖3.8 NISSAN MARCH 汽車上視圖

單位：mm

圖3.9 NISSAN MARCH CAD 3D 示意圖

AcuSolve 分析與模擬方法，AcuSolve採用完全四面體網格作為 CFD分析時最佳形式的網格，因此利用四面體網格的自動生成方式可大大降低網格生成的難度，減小了前處理的工作量且 AcuSolve 在網格品質欠佳的情況下，仍能保持良好的求解收斂性和精確性。

AcuConsole——AcuSolve專用的前處理器。AcuConsole具有強大的 CFD網格劃分功能，與AcuSolve相容性良好，在AcuConsole中畫好網格，

設置好求解參數和條件後，可調用AcuSolvet進行求解。如圖3.10外型網格示意圖、3.11內部網格示意圖。

圖3.10 車體外型網格示意圖

圖3.11 車體內部網格示意圖

為有效分析電腦模擬於實驗比對性，本模擬中先行設立各種邊界

所以車體內部熱量

為研究降溫最佳化設計，模擬軟體分析了其他幾種 CASE，所有分

車外溫度: 32.7 ℃

風扇風量 56.5 CFM

透氣孔條件氣壓：101.35 kPa

各種不同TYPE，經模擬分析後可以確認各種風量改變對於降溫的結果不同，風扇對流改變對車內溫度影響，也可藉由模擬分析軟體的強大功效，進行多次的模擬變更，在進行量產可行性評估時，分析後結果效能亦為量產可行性分析主要要件之一，對於未來相類似零件裝置研究可以節省大量的試驗經費及時間。

圖 3.12 CASE_2 CAD 3D 示意圖

圖 3.13 CASE_3 CAD 3D 示意圖

圖 3.14 CASE_4 CAD 3D 示意圖

圖 3.15 CASE_5 CAD 3D 示意圖

第3.3節實驗分析步驟

本研究為求實驗各項數據量測，及驗證本裝置的預期性能，本論 文太陽能車內風扇降溫系統採試作模型及實車搭配方式進行實驗，實驗流程如圖3.16所述：

圖3.16 實驗流程圖

本系統試驗分車內實車實際天候試驗進行，進而亦可研究汽車在

圖3.17 車體溫度量測點位置

圖3.18 實驗系統圖

依實驗系統圖(3.18)，配合設計車內降溫舒適控制系統，此系統分別在車內裝置六組溫度感測器，其中一組溫度感測器用來偵測作動抽風動作，讓車內溫度下降，達到舒適範圍，另外五組用來記錄車內不同空間位置溫度變化情形，用來調整抽風時間，讓車內得到最佳化的溫度控制。此系統由單晶片微電腦系統控制，並透過RS-232介面將六組溫度感測器將信號傳輸至個人電腦分析，電腦端採用實驗室虛擬儀器工程帄台（Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench，

簡稱LabVIEW）圖形程式設計，可以設定一組溫度範圍及記錄車內溫度變化情形，即可分析最佳化參數(圖3.19)。

圖3.19 車內降溫舒適電腦控制系統

本實驗主要是量測 NISSAN MARCH 汽車如圖 3.20 所示，於太陽下時，車內受日照高溫影響，達到所設定之溫度啟動降溫系統，觀察並紀錄車內溫度之狀況。由於車內各部位之溫度皆不盡相同，為求實驗之準確性，我們在車內設置了五個量測點，使用車內降溫控制系統紀錄車內溫度。

車內降溫控制系統紀錄方式，汽車放置於太陽下，紀錄系統開啟啟動，當車內當溫度達到設定溫度 50℃，系統啟動開啟風扇，再量測車內溫度狀況。

圖3.20 NISSAN MARCH 實驗用車

圖3.21 實驗系統裝置圖

實驗時設定室內溫度達50℃時，啟動裝置3個風扇，3個風扇中央為進風，將室外較低溫的空氣導引進入車內，兩側風扇為排風，將車內達50℃高溫之熱空氣排出車外，達強制對流之效果，如此可以降低車內整體溫度。

由(圖3.22) 溫度控制監測曲線中，車輛放置於實驗場，汽車內部開始升溫，當日上午10時45分開始，系統偵測溫度到達，系統50度啟動--風扇1進2出(中間進兩側出)，開始啟動強制對流，隨著對流作用溫度開始下降，溫降效果最少10℃，由圖中可以發現，啟動降溫系統開啟，

初期2分鐘內溫降效果最大，5分鐘後漸漸溫度無變化，實驗當天，室外溫度均維持32.5~32.7℃，至實驗結束室外溫度均為穩定。

圖3.22 溫度控制監測曲線

第四章結果與討論

圖 4.1 CASE_1 車體流場正視圖

圖 4.2 CASE_1 車體流場中央進氣風扇口側視圖

圖 4.3 CASE_1 車體流場側進氣風扇口側視圖

圖 4.4 CASE_1 模擬系統啟動 1 分鐘

圖 4.5 CASE_1 模擬系統啟動 2 分鐘

圖 4.6 CASE_1 模擬系統啟動 3 分鐘

圖 4.7 CASE_1 模擬系統啟動 4 分鐘

圖 4.8 CASE_1 模擬系統啟動 5 分鐘

實車於太陽下放置，將系統設置後啟動，車內溫度達設定溫度後啟動，結果依圖所示 4.9 為實驗後五分鐘所測得各點溫度與模擬分析比較表。圖 4.10 實驗五分鐘與模擬分析圖表，由表(4.1) 實驗五分鐘與模擬分析比較表，數據顯示可以看出實驗數據與模擬誤差約 3 % 以下為可接受範圍，左儀錶板溫度誤差值較大，推估該點感溫器位置因駕駛側有方向盤，儀錶框等複雜駕駛控制系統影響所致，造成些許差異，去除該點溫度不列入，則整體實驗與模擬分析的可靠度相對的高。

圖 4.9 模擬系統啟動後溫度圖

系統溫度右儀錶板左儀錶板駕駛座副駕駛座後座

實驗溫度 51.1 42.7 45.8 40.6 41.4 40.6

模擬溫度 51.1 41.9 41.6 40.8 40.8 41.5

差異溫度 0 0.8 4.2 0.2 0.6 0.9

差異百分比 0 1.87% 9.17% 0.49% 1.45% 2.22%

圖 4.10 實驗五分鐘與模擬分析圖表

表 4.1 實驗五分鐘與模擬分析比較表

單位：℃

第 4.2 節其他不同 CASE 分析計算結果

根據 CASE_1 分析與實驗驗證結果，進而模擬風量改變 TYPE。

由 CASE_2 Type 改變進風方式，抽風風扇速率位置數量不變更，僅將中央原進氣風扇取消改為開透氣孔，經過模擬計算後顯示，可以看出 CASE_2 系統啟動模擬，圖 4.11 CASE_2 車體流場正視圖，圖 4.12 CASE_2 車體流場中央進氣風扇口側視圖，可以看出流場經上方風扇抽風而作動模擬向量，車內高溫藉由風扇流動而抽出車外，中央開孔則導引室外較低溫進入車內，經車內外流場交換，車內溫度逐漸下降，

圖 4.14 為模擬一分鐘溫度顯示，圖 4.15 為模擬五分鐘後溫度顯示，整體溫度分析後 CASE_2 以駕駛座降溫約 8.3 度降幅最大。

圖 4.11 CASE_2 車體流場正視圖

圖 4.12 CASE_2 車體流場中央進氣風扇口側視圖

圖 4.13 CASE_2 車體流場側進氣風扇口側視圖

圖 4.14 CASE_2 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示

圖 4.15 CASE_2 模擬系統啟動 5 分鐘溫度顯示

CASE_3 Type 改變進風方式，抽風風扇速率位置數量變更，將中央原進氣風扇改為風扇抽風，兩側原風扇抽風變更為開 2 透氣孔，經過模擬計算後顯示，可以看出 CASE_3 系統啟動模擬流場圖，圖(4.16) 為模擬車體流場正視圖，可以看出流場經上方風扇抽風而作動模擬向量，車內高溫藉由風扇流動而抽出車外，圖 4.17 CASE_3 車體流場中央進氣風扇口側視圖，中央開孔則導引車內高溫排出車外，受中央風扇強制抽氣影響，兩側透氣孔會引進室外較低溫空氣，在車內形成渦流，經車內外流場高低溫空氣交換，車內溫度逐漸下降，圖 4.19 為模擬一分鐘溫度顯示，圖 4.20 為模擬五分鐘後溫度顯示，整體溫度分析後 CASE_3 以右前座降溫約 9.5 度降幅最大。

圖 4.16 CASE_3 車體流場正視圖

圖 4.17 CASE_3 車體流場中央進氣風扇口側視圖

圖 4.18 CASE_3 車體流場側進氣風扇口側視圖

圖 4.19 CASE_3 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示

圖 4.20 CASE_3 模擬系統啟動 5 分鐘溫度顯示

CASE_4 Type 改變進風方式，抽風、進風風扇速率位置數量變更，

中央進氣風扇進氣但速率不變更，兩側風扇抽風原速率 56.5 CFM 變更為 1/2 流量 28.25 CFM，經過模擬計算後顯示，可以看出 CASE_4 系統啟動模擬流場圖，圖 4.21 為模擬車體流場正視圖，可以看出流場經上方風扇抽風而作動模擬向量，車內高溫藉兩側透氣孔會將高溫排出車外，中央開孔風扇由圖 4.22 CASE_4 車體流場中央進氣風扇口側視圖顯示，導引引進室外較低溫空氣進入車內，受風扇強制抽氣影響在車內形成渦流，經車內外流場高低溫空氣交換，車內溫度逐漸下降，圖

在文檔中使用CFD分析以太陽能驅動風扇之汽車降溫系統 (頁 21-77)