使用CFD分析以太陽能驅動風扇之汽車降溫系統

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I

大華科技大學

機電工程研究所

碩士論文

使用 CFD 分析以太陽能驅動風扇之

汽車降溫系統

The CFD analysis of vehicle’s

cooling system composed of

solar-driven fans

研究生：范順維

指導教授：曾慶祺博士

中華民國一〇二年七月

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III

使用 CFD 分析以太陽能驅動風扇之汽車降溫系統

The CFD analysis of vehicle’s cooling system

composed of solar-driven fans

研究生：范順維 Student: Shun-Wei Fan

指導教授：曾慶祺博士 Advisor: Dr. Ching-Chi Tseng

大華科技大學機電工程研究所

碩士論文

A Thesis

Department of Mechatronic Engineering Ta Hwa University of Science andTechnology

In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of

Master of Science In

Mechatronic Engineering

June 2013

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

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IV

使用 CFD 分析以太陽能驅動風扇之汽車降溫系統

研究生：范順維指導教授：曾慶祺博士大華科技大學機電工程研究所摘要本文利用模擬分析方法探討於汽車天窗裝設風扇，在不同條件下進行進、排氣，以改善汽車內部高溫，並提供業界做為設計降溫系統的參考。本研究使用 CFD 分析軟體模擬啟動降溫系統後車內溫度及流場的變化，進行實車測試比對分析，並於分析時考慮風扇進、排氣強制對流作用時間，外部太陽高溫仍透過玻璃傳熱至車內的熱通量計算，以提高模擬分析的可靠度。針對實驗結果驗證模擬分析可靠度，延伸軟體模擬進行其它不同 Type 進、排氣及風扇速率變更計算分析，對於後續解決汽車高溫效應具有極大的助益。關鍵字：太陽能、熱通量、強制對流、風扇散熱。

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V

The CFD analysis of vehicle’s cooling system

composed of solar-driven fans

Student: Shun-Wei Fan Advisor: Dr. Ching-Chi Tseng

Department of Mechatronic Engineering Ta Hwa University of Science andTechnology

Abstract

In this article, we use simulation to study the installation of the fan on the car’s sunroof. We considered the fan system in different conditions. The intake and outtake can adjust the internal temperature of a vehicle. This provides the industries a reference to design the cooling system.

In this study, we using the CFD software to simulate the cooling system, the temperature distribution and the flow velocity inside the vehicle can be obtained. . The fan’s forced convection for the intake and outtake, and the external heat passing through the glass are also considered in our calculation. These improve the accuracy of the simulation.

The reliability of the simulation is verified by the experimental results, and different conditions for the intake and outtake of the cooling system are then applied to perform the simulation, which help to optimize the design and can greatly benefit the subsequent solution for the issue of automotive high-temperature effect.

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VI

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VII

誌謝

本論文得以順利完成，感謝本校機電工程研究所之所有教授及老師諄諄教導，亦感謝裕器工業股份有限公司徐福光董事長的勉勵，對於論文及課業之完成致上最真誠謝意。本研究係由行政院國家科學委員會產學合作(NSC99-2622-E-233 -003-CC3)計畫，感謝國科會的經費補助，進行實驗設備建構，讓本論文得以順利進行，特此申謝。最後，我要向我的家人及協助友人表達真誠致謝之意，尤其是家人的鼓勵與支持致上最高謝意。范順維謹誌

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VIII 目錄中文摘要...III 英文摘要...IV 誌謝...VI 目錄...VII 圖目錄...IX 表目錄...XII 符號表...XIII 第一章緒論...1 1.1 前言...1 1.2 文獻探討...3 第二章研究目的... 7 第三章研究方法...10 3.1 設計製作...10 3.2 可行性分析...16 3.3 實驗分析步驟...29 第四章結果與討論...36 4.1 CASE1 車內溫度的 CFD 模擬與實驗結果比對...36 4.2 其他不同 CASE 分析計算結果...43

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IX

第五章結論...59 參考文獻...61 著作 . . . 6 3

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X 圖目錄 圖 1.1 1960-2009 年夏季逐日最高溫之頻率分圖...3 圖 2.1 本系統成車組裝示意圖... ...9 圖 2.2 本系統裝置開啟關閉示意圖...9 圖 3.1 系統運作示意圖...13 圖 3.2 系統之組合圖...13 圖 3.3 本系統之之盒體分解圖…...14 圖 3.4 本系統之功能方塊圖...14 圖 3.5 論文之進行步驟圖...15 圖 3.6 NISSAN MARCH 汽車 3D 視圖...18 圖 3.7 NISSAN MARCH 汽車側視圖...19 圖 3.8 NISSAN MARCH 汽車上視圖...19

圖 3.9 NISSAN MARCH CAD 3D 示意圖...20

圖 3.10 車體外型網格示意圖...21 圖 3.11 車體內部網格示意圖...21 圖 3.12 CASE_2 CAD 3D 示意圖...26 圖 3.13 CASE_3 CAD 3D 示意圖...27 圖 3.14 CASE_4 CAD 3D 示意圖...27 圖 3.15 CASE_5 CAD 3D 示意圖...28

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XI 圖 3.16 實驗流程圖...29 圖 3.17 車體溫度量測點位置...31 圖 3.18 實驗系統圖...31 圖 3.19 車內降溫舒適電腦控制系統...32 圖 3.20 NISSAN MARCH 實驗用車...33 圖 3.21 實驗系統裝置圖...34 圖 3.22 溫度控制監測曲線...35 圖 4.1 CASE_1 車體流場正視圖...37 圖 4.2 CASE_1 車體流場中央進氣風扇口側視圖...37 圖 4.3 CASE_1 車體流場側進氣風扇口側視圖...38 圖 4.4 CASE_1 模擬系統啟動 1 分鐘...38 圖 4.5 CASE_1 模擬系統啟動 2 分鐘...39 圖 4.6 CASE_1 模擬系統啟動 3 分鐘...39 圖 4.7 CASE_1 模擬系統啟動 4 分鐘...40 圖 4.8 CASE_1 模擬系統啟動 5 分鐘...40 圖 4.9 模擬系統啟動後溫度圖...41 圖 4.10 實驗五分鐘與模擬分析圖表...42 圖 4.11 CASE_2 車體流場正視圖...43 圖 4.12 CASE_2 車體流場中央進氣風扇口側視圖...44

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XII 圖 4.13 CASE_2 車體流場側進氣風扇口側視圖 ...44 圖 4.14 CASE_2 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示...45 圖 4.15 CASE_2 模擬系統啟動 5 分鐘溫度顯示...45 圖 4.16 CASE_3 車體流場正視圖...47 圖 4.17 CASE_3 車體流場中央進氣風扇口側視圖...47 圖 4.18 CASE_3 車體流場側進氣風扇口側視圖...48 圖 4.19 CASE_3 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示...48 圖 4.20 CASE_3 模擬系統啟動 5 分鐘溫度顯示...49 圖 4.21 CASE_4 車體流場正視圖...50 圖 4.22 CASE_4 車體流場中央進氣風扇口側視圖...51 圖 4.23 CASE_4 車體流場中央進氣風扇口側視圖...51 圖 4.24 CASE_4 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示...52 圖 4.25 CASE_4 模擬系統啟動 5 分鐘溫度顯示...52 圖 4.26 CASE_5 車體流場正視圖...54 圖 4.27 CASE_5 車體流場中央進氣風扇口側視圖...54 圖 4.28 CASE_5 車體流場側進氣風扇口側視圖...55 圖 4.29 CASE_5 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示...56 圖 4.30 CASE_5 模擬系統啟動 5 分鐘溫度顯示...56 圖 4.31 模擬各 CASE 5 分鐘降溫趨勢圖...58

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XIII

表目錄

表 4.1 實驗五分鐘與模擬分析比較表...42 表 4.2 分析 CASE 邊界條件表...57 表 4.3 模擬分析各 CASE5 分鐘後溫度總表...57

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XIV 符號表 q” 熱通量 W/㎡ q 車體內部熱量 .℃ Cp 空氣比熱 J/Kg.K t 時間 sec 汽車車內體積汽車內外溫度差 ℃

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第一章緒論

第 1.1 節前言汽車發展至今，對於夏日汽車於太陽下所接受太陽輻射而造成汽車室內悶熱，目前於汽車發展及設計尚無有對於靜止汽車降溫之有效產品問世，大多屬於學術界研究或專利申請。汽車發明至今已超過一個世紀，但汽車悶熱而導致危害生命遺憾情事的發生，並沒有隨著汽車設計進步而有所改善，現在最方便使用之交通工具就是汽車，車內高溫實在不應再被忽視。汽車設計相當複雜，尤其以汽車的室內零件而言，儀錶板及座椅內裝零件製作時使用塑膠原料及人造表皮，組裝時亦使用大量膠帶，表面處理使用塗料塗裝，這些有機溶劑在車內遇高溫而散發出揮發性有機化合物(Volatile Organic Compounds，簡稱VOC）可能傷害人體，夏日駕駛者開啟車門均會聞到塑膠或一些皮革味道，其丙酮、乙醇、乙醚和二氯甲烷等常見的有機溶劑，都是揮發性物質，當遇到高溫時其有機溶劑就會迅速地從固體變成氣體散發有害物質。 VOC對人體有刺激性和毒性。VOC會令可吸入懸浮粒子形成，引起眼睛不適、上下呼吸道病徵和增加哮喘病發機會，VOC也會引起人體免疫失調影響中樞神經系統功能，使人體出現頭暈、頭痛、嗜睡、無力、胸悶等症狀；還可能影響消化系統，出現食欲不振、噁心等，嚴重時可損傷肝臟和造血系統[1]。

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綜上所述，雖然各大車廠對於汽車降溫，大都投入相當多的研究與注入相當多的經費，各種創新提案想法亦不斷推陳出新，但實驗試作意味濃厚，真正的降溫概念車款至今猶未量產；且各項試作經費龐大，在試作上無法以實車進行，就算以實車進行，遇到問題卻因修改成本過高，往往就此停止，造成人力物力資源耗費，無法得知整體實驗結果是否為最佳設計，所以本研究使用AcuSolve 數值分析軟體進行於系統啟動後車內流場溫度變化，並進行其他不同TYPE 風速、風量、位置變化，藉由分析軟體強大分析功能，模擬各種不同模式，進而分析出最佳化系統，降低整體開發試作成本達最佳可靠度的效果。

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第 1.2 節文獻探討汽車自發明以來，一直是人類倚賴的重要交通工具，然而汽車設計為達靜音，擋風，遮雨，防漏，抵擋每日不同的自然氣候，全球各車廠均使用專業設計，使汽車室內形成一個密閉空間，靜止時與外氣無法進入車內，車內外空間氣體無法進行對流，再者，汽車於夏日放置於太陽下，車體玻璃吸收太陽輻射 (Thermal radiation) 造成車內高溫，太陽在台灣夏日日照的高溫，依中央氣象局近五十年台灣極端高溫之分析[2]，使用中央氣象局 21 個局屬測站 1960-2009 年期間 6-8 月逐日最高溫資料，定義出 21 個測站各自的極端高溫門檻值（如圖 1）圖 1.1 1960-2009 年夏季逐日最高溫之頻率分布圖。（以台北測站為例，橫軸是最高溫，縱軸是天數。）可以發現夏日高溫 30℃以上占 80%以上，太陽日照輻射與汽車室內產生溫室效應，足以造成汽車內部空間溫度直線上升，根據實驗的記錄，溫度(℃) 天數

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車輛停放在毫無遮蓋的豔陽下，上午十點，車廂內氣溫可達攝氏五十度，中午十一點卅分到下午兩點鐘，溫度則是持續在攝氏五十七度以上，而儀表板上方置物帄台，由於長時間的高溫和玻璃折射的效應，溫度最高可達攝氏八十四度[3]。有鑑於此，解決車內高溫問題，杜鳳棋[4] 讓汽車不再是鐵蒸籠的利器－太陽能車廂散熱裝置，透過自我提供的電能趨動風扇，藉由強制對流(Forced convection) 效應，將密閉車廂內的積熱有效的強迫排除；配合外型設計與裝設位置，讓高溫空氣藉由自然對流(Natural convection)效果，自然的導流到散熱器的頂罩，將高溫空氣適度的排出。杜鳳棋等人[5]進行太陽能汽車車廂節制高溫裝置之研發，運用感測原理，當感應到汽車車廂內溫度達到設定值，系統即開始啟動運作，藉由強制對流效應，將密閉車廂內的積熱有效的強迫排除；配合外型設計與裝設位置，讓高溫空氣藉由自然對流效果，自然的導流到散熱器的頂罩，將高溫空氣適度的排出。此外運用水做為瞬間冷卻劑，由噴霧罐噴出來後就形成細小的水滴，由於水分子吸收附近蒸發熱 (Heat of vaporization)，因此可使周圍空氣迅速的降溫。朱啟豪[6]利用空調除熱的理論為核心邊界條件，並考慮紊流 (Turbulent flow)之流動模式與車殼及座椅的共軛熱傳(Conjugated heat transfer)，探討轎車與休旅車之車型在接受日曬照射下傳入車內之

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熱量分佈比例，並模擬汽車內之空氣流動情形與車內空調負荷對車內溫度之影響，並求得車內溫度隨時間變化之分佈情形。

Alex Alexandrov, et al.[7] 使用 3D 軟體模擬來解決汽車溫度，控制和空調（HVAC）系統配置設計參數，空氣的溫度和入口的速度，大小的數量和位置系統的入口和出口，天氣對溫度和車輛速度對參數的影響。 Tong-Bou Chang[8]汽車利用太陽能作為換氣降溫系統的實驗，過去相關汽車於烈日曝曬下車內氣溫之降溫方法，效果大多不是很明顯且製造成本昂貴構造複雜，不符合經濟效應。系統利用太陽能板吸收太陽能並轉換成可供車上已有之鼓風機使用的電能，並利用此鼓風機做為車內外空氣交換的動力來源，完全不消耗車上的能源。賴文光等人[9]進行車輛室內之空調冷房效率研究，利用 CAE 模擬車內方式來研究車室內部冷房效率為主，規劃了 2 項研究來探討風速及出風口角度對冷房的影響，並輸出空氣及人體皮膚表面溫度作為參考。他們使用 SC/Tetra CFD 分析軟體，得知各出風口空氣流動的路線，提供作為調整出風口的參考。

Yoshinori ONISHI et al.[10]以 CFD 分析車內高溫對人體的溫度分佈，考量自然對流與強制對流的狀況，分析汽車於日照下，高溫以自然空調分析對人頭部足部的溫度，及以電熱加熱方式，比較自然對流與強制對流最佳化後人體頭部與足部的溫度。

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綜合上述的種種研究可以發現，汽車於夏日烈日下，太陽照射的輻射能會傳到汽車內產生高溫現象，也有多項 CFD 分析進行車內自然對流與強制對流熱傳，找出車內溫度分佈與模擬及實驗的比對。

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第二章研究目的

由於汽車在日光照射下，停放在室外的封閉式汽車的車內空間，可能在短時間內快速上昇到 60℃以上，甚至高達 70~80℃，汽車車廂若經常處於高溫的狀態，內部的電子系統與內裝，在陽光曝曬下很容易損壞，如何讓汽車能度過一個清爽的豔陽天，不僅關係汽車的運用設計，更是駕車者和乘車者的安全考量。故為防止停車時車內高溫，現行方法有利用遮陽板阻擋太陽的直射，阻止陽光之輻射作用產生高溫、酒精噴霧降溫、前擋玻璃隔熱反射車罩、車內冷氣加強風扇、玻璃隔熱紙…等等，但這些配件的效果相當有限，並無法有效消除靜止車內高溫效果。在陽光直射下，將會引發汽車內裝飾材料揮發出超量的毒性空氣污染物，經常開車的人都知道，新車通常都有股刺鼻味，有些新車味道甚至刺激得眼睛都睜不開，味道會持續一段時間才會變淡。即使是使用很久的中古車，在烈日太陽直射下仍然會散發出不佳的味道，尤其是甲醛和苯超標，一般車如此，高級車也一樣。車內有害塑膠化合物的特性，就是伴隨溫度的升高有害物質急劇增加，主要原因是車內裝材料、車椅座皮套、車頂內飾板、還有生產過程中使用的接著劑，膠水，膠帶，塗料和諸多塑料零配件。另一方面，溫度增加 10℃，污染物濃度近乎上升一倍。在溫度很高時，即使是使用多年的車輛中，有害氣體的濃度也會很高。不只新車有這樣的污染問題，許多已經開

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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。

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太陽能板+風扇

圖 2.1 本系統成車組裝示意圖

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第三章研究方法

第 3.1 節設計製作本論文提出探討車內降溫裝置系統，目的在改善汽車在烈日直射陽光下，車廂內所產生悶熱高溫的情況。車內降溫裝置可於車輛熄火停車時，在無電源供應的情況之下，利用太陽能轉變為電力作為能源，當車廂達到設定溫度，則會啟動抽氣風扇，可有效的減低車廂內溫度。本系統提供做為車用降溫裝置，藉以避免車內長時間高溫而釋出有害毒氣，使乘坐者剛進車內不會感覺異常悶熱，並可防止車內電子零件因高溫而損壞，影響汽車性能。太陽光穿透汽車車體的玻璃，造成車内熱量受限於玻璃緊閉不易散失，導致車廂溫度上升，透光無隔熱玻璃為快速持續造成車內高溫主因。本系統係一種車內降溫裝置，當車體內溫度達到預設值時，控制器將會啟動風扇，由車廂頂出風口將車內高溫度之空氣，透過風扇抽出車外，藉此可使車內的溫度降低，如圖3.1所示。本系統完全利用太陽能轉換成電能，具備自我供應電力的優勢；運用熱傳遞基本原理，將太陽輻射所造成的汽車車內高溫有效的散出，快速降溫。本系統的主要設計理念，就是將太陽輻射，轉化成有效的能量，可提供風扇使用，達到電力自主的目的；主要的組成機構包含：充電單元、控制單元、及抽氣單元。充電單元主要包括有一太陽能板，太陽能板採用晶矽薄膜材料，

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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，可防水、抗腐蝕、抗紫外線的材質製造。太陽能板搭配充電控制器以保護蓄電池，避免源自太陽能電池板的能量對蓄電池過度充電，及負載運行造成的過度放電；充電控制器具有防逆電流裝置及直流電力輸出。本單元另包括有一充電電池，係用以將太陽能所轉換成的電能儲存在其中。控制單元為本系統實施自動化的關鍵設備，利用充電電池提供所需之電能，透過撓性導線串接溫度感測元件，用以隨時監測車內之溫度。當車廂溫度達到設定值時，單元內的控制器便會作動而啟動抽氣單元。抽氣單元主要的核心元件為風扇，當車廂之溫度過高時，控制器將會啟動風扇，將熱氣體從車內藉強制對流方式，從天窗口抽出排出車外。本系統設有底座，可固定裝設在汽車的天窗上，如圖3.1與圖3.2所示，圖3.3所示為本裝置的主要構造，包含：充電單元、控制單元、抽氣單元等三個部分，充電單元係將陽光的輻射能(Radiant energy)轉換成電能；太陽能板裝置在汽車車頂，可舖設在汽車車頂的上方，透過螺絲或矽膠固定。太陽能板搭配充電控制器以保護蓄電池，避免源自太陽能電池板的能量對蓄電池過度充電。太陽能板利用第一撓性導線由車頂夾層，經擋風玻璃側柱及儀表板下方而串接至充電電池；充電電池係用以將太陽能所轉換成的電能儲存在其供風扇驅動電力使用。

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抽進氣單元，其中抽氣單元的主要元件包括有風扇，其中風扇安裝於底座上，當運作時可從車內抽氣，經由太陽能板開啟作動排氣；抽氣單元的風扇係利用第三撓性導線串接風扇控制器及充電電池，所有元件均以隱藏方式配置在盒體內部。當車廂內溫度達到預設值時，溫度感測元件將誘發風扇控制器啟動風扇運作，上蓋自動開啟，將車內高溫度之空氣，利用三顆風扇進、出抽風，來製造空氣的強制對流，以便產生空氣循環的效果，藉此可將車內高溫熱氣排出，達降溫效果。圖3.4為本系統裝置之功能方塊圖，當陽光直接照射在該太陽能板上，陽光之輻射能透過系統、太陽能板(Solar panel)、降壓電路板、可充電電池(Rechargeable battery)及電池電能顯示器，各元件間係透過撓性電線(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。系統透過環境資料提供資訊，經由感測器接收溫度資訊，系統由控制器控制抽進氣單元的主要元件為三個風扇及一顆開關，透過溫度感測器可自動啟動或關閉風扇之運作。上層盒體係使用塑膠材料製作而成，藉控制開關(Switch)控制上盒體太陽能板開啟，得以讓熱空氣排放出盒體，室外較低溫空氣抽進車內。風扇的功能主要是讓空氣產生強制對流作用，用以促進空氣循環進行冷熱交換；該風扇所需的電力由可充電電池提供，本研究進行步驟的流程圖，如圖3.5所示。

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圖 3.1 系統運作示意圖

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圖 3.3 本系統之之盒體分解圖

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第3.2節可行性分析

本論文的可行性分析(Feasibility analysis)，將以實驗與計算流體力學(Computational fluid dynamics，簡稱CFD)之電腦模擬進行比對，藉由分析軟體的強大運算能力及邊界條件設定透過電腦運算速度，得到整體溫度區塊及流場圖呈現，並透過分析手法數值模擬取代傳統實驗，對整體設計開發成本大幅降低，亦增加整體產品的可靠度。本研究選用 AcuSolve[12]新一代汽車CFD模擬技術，AcuSolve的 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有限元方法的CFD求解器AcuSolve應用非結構的四面體網格大大精簡了CFD分析結果。這些包含高長寬比邊界單元的網格模型。AcuSolve GLS方法獨特的網格容差技術（Mesh‐tolerant）功能使其在CFD或CAD模型工作流程中的前處理/網格生成過程更加高效，同時它能提供必要的幾何細節以便進行精確的汽車流體和熱分析。 AcuSolve 的運算方式[13]：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,

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Ma<0.9 不捕捉激波 (No shock capturing, limited to ~.9 Mach or less)。

多相流不做，但可以做多相混合。燃燒/化學反應不做(Single phase only )。熱分析(Thermal Analysis)

焓運輸方程式(Enthalpy transport equation)

共軛熱傳(Conjugate heat transfer)。灰體封閉輻射(Enclosure radiation)。太陽輻射(Solar radiation)。

多層熱殼單元(Multi-layer thermal shells)。

很多技術用來處理複雜的對流、傳導、輻射問題。(Many powerful techniques for modeling convection (forced and natural), conduction and radiation)。

(3.1)

(3.2)

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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

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圖3.7 NISSAN MARCH 汽車側視圖圖3.8 NISSAN MARCH 汽車上視圖單位：mm 單位：mm

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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。

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圖3.10 車體外型網格示意圖

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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條件，再將此設立條件帶入軟體進行運算。車內溫度: 51.1 ℃ 車外溫度: 32.7 ℃ 空氣比熱(Cp)：1005 J/kg.K 車上方3孔：風扇1進2出風扇風量：56.5 CFM 車內體積，扣除儀錶板及座椅 2.469 m³. 玻璃面積 : 4.15 ㎡考慮試驗時，外部高溫會透過玻璃傳入車內，其中熱通量(Heat flux)依熱傳定義[14]： Heat flux 熱通量: 單位面積單位時間內之熱能傳輸率。在垂直於熱傳方向之單位面積上之熱傳率稱為熱通量(Heat flux)，帄均熱通量表示為： ̇ ̇ (W/㎡) 又，物體對外界最大熱傳量(輸入或輸出)，取決於物體起始溫度與流體外界溫度之差： ̇ ( ) ( ) ( ) (3.4) (3.5)

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所以車體內部熱量 其中 q ：車體內部熱量 ⁄ .℃ ：空氣比熱 J/Kg.K ：汽車車內體積：汽車內外溫度差 ℃ 而車體所接受熱通量其中 _：熱通量⁄ t ：熱傳時間 sec A ：汽車車窗總面積 依上述理論公式計算，本研究模擬熱通量計算如下： ( ) ⁄

⁄ ⁄

⁄

(3.6) (3.7)

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為研究降溫最佳化設計，模擬軟體分析了其他幾種 CASE，所有分析邊界條件均相同，僅風扇進排氣，風量不同，茲將各CASE 分析條件說明如下： 1. CASE_1 風扇風扇一進二出，與實驗相同邊界條件。車內溫度: 51.1 ℃ 車外溫度: 32.7 ℃ 空氣比熱：1005 J/kg.K 熱通量：36.6 W/㎡車上方3孔風扇1進2出風扇風量 56.5 CFM 2. CASE_2 風扇二出，中央開透氣孔(圖3.12)。車內溫度: 51.1 ℃ 車外溫度: 32.7 ℃ 空氣比熱：1005 J/kg.K 熱通量：36.6 W/㎡車上方3孔，兩側風扇2出，中央只開透氣孔風扇風量 56.5 CFM 透氣孔條件氣壓：101.35 Kpa 3. CASE_3 中央風扇一出，兩側開透氣孔(圖3.13) 車內溫度: 51.1 ℃

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車外溫度: 32.7 ℃ 空氣比熱：1005 J/kg.K 熱通量：36.6 W/㎡車上方3孔，風扇1出風扇風量 56.5 CFM 透氣孔條件氣壓：101.35 Kpa 4. CASE_4 風扇一進二出，二側出風量1/2。(圖3.14) 車內溫度: 51.1 ℃ 車外溫度: 32.7 ℃ 空氣比熱：1005 J/kg.K 熱通量：36.6 W/㎡車上方3孔風扇1進2出風扇風量：中央 56.5 CFM，兩側 28.25 CFM(風扇風量減半) 5. CASE_5 風扇3出，車前方開一透氣孔。(圖3.15) 車內溫度: 51.1 ℃ 車外溫度: 32.7 ℃ 空氣比熱：1005 J/kg.K 熱通量：36.6 W/㎡車上方3孔，風扇3出儀表前方中央開一透氣孔

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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

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圖 3.13 CASE_3 CAD 3D 示意圖

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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

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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烈日曝曬下，當車廂內溫度節節升高時，確認此套系統是否有達到其預設降溫效能，使駕駛者或乘客進入車廂內時不會有中暑或不舒適的情況發生，另外也可以保護車內電子零件不會因高溫而毀損，若此系統研發成功即可導入正規車廠或售服市場造福消費者。試驗設備與架設 1. 太陽能充電系統總成 2. 控制系統總成 3. 風扇系統總成 4. 溫度儀 5. 演算器(傳輸溫度數據) 6. 試驗車輛(NISSAN MARCH) 實車實際天候試驗階段：試驗車輛停放於可直接接受陽光照射之停車場。將試驗車停放於陽光下，使用熱電偶溫偵測儀放置於車內設定點位置，啟動風扇散熱系統(依記錄表設定參數條件試驗) ，並由電腦記錄溫度以進行數據分析，溫度量測點位置分別為：儀錶板右側、儀錶板左側、駕駛座椅、前乘客座椅、後座乘客座椅中央等，共5個位置如圖3.17所示：

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圖3.17 車體溫度量測點位置

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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)。

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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

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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。

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第四章結果與討論

第 4.1 節 CASE_1 車內溫度的 CFD 模擬與實驗結果比對本研究是運用 CFD 模擬，藉由流場分布及溫度模擬，找出最佳化的配置，減少後續實驗耗費人力物力，經模擬分析 CASE_1 所得結果，由圖 4.1 車體流場正視圖流場速率可以看出車內、外空氣經風扇強制對流後車內的變化圖，外部低溫空氣藉中央風扇作動帶入車內，外部較低溫氣流碰觸車體及座椅後往上迴旋，再由上方雙抽氣風扇將車內熱空氣帶出車內，藉此反覆強制對流迴旋作用，進行冷熱空氣交換將車體內部空氣降溫，相同由圖 4.2 車體流場中央進氣風扇口側視圖看出，外部低溫空氣進入車體易形成渦流，圖 4.3 車體流場兩側抽氣風扇口側視圖，亦可發現高溫氣體排出車外，藉此反覆交換對流流場作用可以由圖 4.4 至 4.8 每分鐘溫度顯示圖，看出時間對溫度降低作用，隨時間增加溫度降低也愈明顯。

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圖 4.1 CASE_1 車體流場正視圖

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圖 4.3 CASE_1 車體流場側進氣風扇口側視圖

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圖 4.5 CASE_1 模擬系統啟動 2 分鐘

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圖 4.7 CASE_1 模擬系統啟動 4 分鐘

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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}

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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：℃

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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

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圖 4.12 CASE_2 車體流場中央進氣風扇口側視圖

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圖 4.14 CASE_2 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示

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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。

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圖 4.18 CASE_3 車體流場側進氣風扇口側視圖

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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 4.24 為模擬一分鐘溫度顯示，圖 4.25 為模擬五分鐘後溫度顯示，以右前座降溫約 8.3 度降幅最大。圖 4.21 CASE_4 車體流場正視圖

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圖 4.22 CASE_4 車體流場中央進氣風扇口側視圖

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圖 4.24 CASE_4 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示

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CASE_5 模擬上方開孔三孔均為排風，風扇速率不變更，車前方開長 490mm，寬 110mm 孔，上方抽氣風扇帶動流場作用，開始將車內高溫空氣抽出，因無上方進氣及透氣孔，由圖 4.26 CASE_5 車體流場正視圖可以明顯判斷流場作用為上半部形成渦流，座椅上無法有較低溫空氣導引進入將溫度降低，主要前方開孔引進低溫空氣，但低溫空氣又被上方排風扇排出所致，如車體流場中央抽風側視圖所示，車前方開孔低溫空氣導引進入，未碰觸座椅流場直接往後座椅流動，但未產生渦流熱空氣無法帶走，另一圖 4.27 CASE_5 車體流場中央進氣風扇口側視圖及圖 4.28 CASE_5 車體流場側進氣風扇口側視圖亦可明顯看出，車前方開孔，較低溫空氣進入車內後，經上方排氣風扇作用，反而將較低溫空氣排出車外，較低溫空氣在車內未形成任何渦漩流場，整體分析計算後低溫空氣無法引進車內，亦無法將車內高溫帶出車外達整體降溫，溫度降低效果有限，圖 4.29 為模擬一分鐘溫度顯示，圖 4.30 為模擬五分鐘後溫度顯示，整體溫度分析後 CASE_5 除車前部分有溫度降低外，其他位置均未有效降低溫度。

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圖 4.30 CASE_5 模擬系統啟動 5 分鐘溫度顯示圖 4.29 CASE_5 模擬系統啟動 1 分鐘溫度顯示

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由以上藉由模擬分析各 CASE 不同風扇進排氣方式使車體內部降溫方式比較，總結如下: 各分析 CASE 邊界條件設定如表 4.2 所示：各 CASE 分析模擬降溫數據如表 4.3 所示車內溫度車外溫度空氣比熱熱通量透氣孔 (℃) (℃) RH CTR LH Cp (j/kg.K) W/㎡ kPa

CASE 1 51.1 32.7 OUT IN OUT - 1005 36.6

-CASE 2 51.1 32.7 OUT 透氣孔 OUT - 1005 36.6 101.35

CASE 3 51.1 32.7 透氣孔 OUT 透氣孔 - 1005 36.6 101.35

CASE 4 51.1 32.7 OUT 0.5 IN OUT 0.5 - 1005 36.6 -CASE 5 51.1 32.7 OUT OUT OUT 車前 1005 36.6 101.35

車頂開孔抽風 (56.5 CFM) 車前，後透氣孔系統溫度右儀錶板左儀錶板駕駛座副駕駛座後座 CASE_1 51.1 41.9 41.6 40.8 40.8 41.5 CASE_2 51.1 44.9 44.6 42.8 42.8 43.8 CASE_3 51.1 44.0 43.1 41.7 41.6 42.1 CASE_4 51.1 44.9 44.6 42.9 42.8 44.2 CASE_5 51.1 49.9 49.2 50.8 50.8 51.0 表 4.2 分析 CASE 邊界條件表表 4.3 模擬分析各 CASE5 分鐘後溫度總表單位：℃

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由圖 4.31 可以發現模擬各 CASE 降溫五分鐘的效果，依各 CASE 降溫效果比較，可以看出 CASE 1 的效果最佳。

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第五章結論

本論文研究系統具有排除汽車室內空間熱效應的裝置，利用太陽能驅動系統內風扇，具備免外部電源、安裝便利、結構簡單的優點，直接安裝在汽車天窗的位置，使車內與車外流場形成強制對流。當汽車曝曬在陽光下時，只要車廂內達到設定溫度值，本系統便會自動的啟動風扇，即可將車廂的高溫空氣排出車外，並引入室外低溫空氣，迅速達到降溫效果，使用 AcuSolve 強大分析軟體模擬分析，由實驗與模擬分析驗證，提升分析可靠度，綜合歸納實驗測試數據分析，最後本文結論簡扼敘述包括以下所列的幾點： 1. 採用實驗實車 NISSAN MARCH 進行實測車內溫度，使用 3 個風扇，中央風扇抽風，二側風扇排風，一進二出強制對流方式，當風扇開始運轉後的五分鐘時間 t =300sec 時，車內溫度最大降 10.5 ℃，本系統自動溫控，未達設定溫度不啟動，啟動後溫度降到設定溫度系統停止運作，防止車內因高溫釋放有害氣體及電子設備因高溫而損壞。 2. 本論文採用 CFD 分析軟體進行分析，分析後數據與實驗數據誤差約 3%，證實實驗與軟體分析均具有很高的可靠度，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。 3.藉由 CFD 模擬分析軟體強大計算分析能力與實驗數據比較幾何條件，可靠度大幅提高，因而以軟體模擬分析其他各種不同 CASE 比較，對

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後續最佳化設計時即可以模擬軟體分析整體系統裝置降溫實際功效，不需每一種變更即進行實車試作及實驗，耗費大量人力物力成本，可利用分析軟體分析結果提供設計最佳化。

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