Università degli Studi di Pisa. Facoltà di Ingegneria. Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale. Tesi di laurea in Ingegneria Aerospaziale

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1 Università degli Studi di Pisa Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Tesi di laurea in Ingegneria Aerospaziale Anno Accademico 2008/2009 COMFORT TERMICO NEL SETTORE AUTOMOBILISTICO: VALIDAZIONE DI UN MODELLO DI COMFORT Relatori: Prof. Ing. Giovanni Lombardi Ing. Marco Maganzi Ing. Ferdinando Cannizzo Candidato: Giuseppe Agresta Pisa 14 luglio 2009

2 Ai miei genitori Maria e Gregorio

3 Sommario Questa tesi analizza un modello di comfort termico applicato all abitacolo della Ferrari Scaglietti 612. Il comfort termico risulta un elemento fondamentale per la scelta e l'acquisto di un autoveicolo. Poiché un approccio sperimentale per la valutazione del comfort termico risulta molto costoso e difficilmente applicabile nella fase iniziale di progettazione, la Ferrari SPA ha deciso di sviluppare un'attività di ricerca sull'argomento in collaborazione con il dipartimento di Ingegneria Aerospaziale di Pisa per quantificare stato di comfort utilizzando il calcolo CFD. La presente tesi si iscrive nell'ambito di questa collaborazione. I lavori sviluppati in precedenza hanno portato alla formulazione di un modello che valuta il livello di comfort come media pesata di quattro indici di sensazione. Questa tesi analizza i dati sperimentali forniti dall azienda Ferrari per valutare l incidenza dei singoli indici di sensazione sulla formulazione del giudizio di comfort. E inoltre analizzata la correlazione fra gli indici di sensazione espressa dai cinque tester e i relativi indici calcolati con il modello teorico. Gli studi effettuati mostrano che il modello è in grado di calcolare con buona accuratezza il giudizio medio di comfort che una persona percepisce all interno dell abitacolo. La seconda parte della tesi è incentrata sullo studio termo fluidodinamico dell abitacolo della Ferrari Scaglietti 612. Si analizza, con il software Ansys FLUENT, una condizione in cui l impianto di condizionamento raffredda l abitacolo ed è presente un flusso di calore radiante che simula l effetto di riscaldamento del sole. Particolare attenzione è rivolta allo studio dei modelli di trasferimento del calore radiante presenti in FLUENT. I

4 Indice Indice delle figure V Indice delle tabelle VII Introduzione X Capitolo 1 Modello di Comfort ISO Modello di Fanger Procedura iterativa per la determinazione di t cl Draught Rating Differenza di temperatura verticale dell aria Discomfort causato da pavimento caldo o freddo Asimmetria nella temperatura media radiante Classificazione degli ambienti termici Effetti termici non stazionari Temperatura media radiante Calcolo della temperatura media radiante Irraggiamento da fonti ad alta intensità Misura della t mr con termometro a globo nero Misura della t mr con radiometro a due sfere Misura della temperatura media radiante piana 18 Capitolo 2 Modello di comfort Indice di sensazione termica globale V g indice di raffica V r Indici di gradiente di temperatura V gv e V gl 25 Capitolo 3 Prove sperimentali e giudizi Giudizi sperimentali 27 II

5 3.2 Studio di Correlazione dell indice di Comfort Studio di correlazione degli indici di sensazione Studio di correlazione dell indice di sensazione termica globale Studio di correlazione dell indice di raffica V r Studio di correlazione dell indice di gradiente di temperatura V gv Studio di correlazione dell indice di gradiente di temperatura V gl Correlazione fra l indice di comfort sperimentale e quello teorico 57 Capitolo 4 Modelli di scambio radiante in FLUENT Determinazione dell equazione di conservazione dell intensità di flusso di energia radiante Assorbimento Emissione Scattering Equazione di conservazione Surface-to-Surface (S2S) Radiation Model Fattori di vista Fattore di vista fra due superfici infinitesime Fattore di vista fra una superficie infinitesima e una superficie finita Fattore di vista fra due superfici Metodo Hemicube per il calcolo dei fattori di vista Discrete Ordinates (DO) Radiation Model Angle Over-Hanging Concentrazione dei raggi Effetto Raggio Falso Scattering P-1 Radiation Model e Rosseland Radiation Model Discrete Transfer Radiation Model (DTRM) Modello Solare Scelta del modello di irraggiamento 88 III

6 Capitolo 5 Settaggio dei modelli di scambio di calore radiante Settaggio del modello S2S Settaggio del Solar Ray Tracing Settaggio del modello DO 98 Capitolo 6 Calcolo della T mr in FLUENT Calcolo della Temperatura Media Radiante con il Modello S2S Calcolo della Temperatura Media Radiante con il modello DO Esempio di calcolo della T mr in FLUENT 115 Capitolo 7 Analisi termo-fluidodinamica dell abitacolo della Ferrari Scaglietti Trattamento delle superfici semitrasparenti Griglia di calcolo Caratteristiche della griglia di calcolo utilizzata con il modello S2S Caratteristiche della griglia di calcolo utilizzata con il modello DO Condizioni al contorno Procedura di simulazione Risultati 142 Conclusioni e sviluppi futuri 155 Ringraziamenti 157 Appendice I: Procedura iterativa per il calcolo di t cl 158 Bibliografia 160 IV

7 Indice delle figure Figura 1.01: t cl e E sw in condizioni di neutralità termica 4 Figura 1.02: Predicted Percentage Dissatisfied 6 Figura 1.03: Approssimazione persona ellissoide 17 Figura 1.04: Termometro per la misura della t prm 19 Figura 3.01: Punti di definizione dei pesi con N=11 32 Figura 3.02: Sezione a K g costante 33 Figura 3.03: Sezione a K r costante 33 Figura 3.04: Sezione a K gv costante 34 Figura 3.05: Sezione a K gl costante 34 Figura 3.06: Sezione a K g costante 36 Figura 3.07: Sezione a K r costante 36 Figura 3.08: Sezione a K gv costante 37 Figura 3.09: Sezione a K gl costante 37 Figura 3.10: Errore quadratico medio nelle prove del Test 1 in funzione di Δ suff 42 Figura 3.11: Errore quadratico medio nelle prove del Test 2 in funzione di Δ suff 42 Figura 3.12: Calcolo dell'indice di sensazione termica globale 43 Figura 3.13: Calcolo dell'indice di sensazione termica globale non considerando la prova n 2 del Test2 44 Figura 3.14: Errore quadratico medio nei Test 1 in funzione di DR suff 47 Figura 3.15: Errore quadratico medio nei Test 2 in funzione di DR suff 47 Figura 3.16: Calcolo dell'indice di raffica 48 Figura 3.17: Errore quadratico medio nei Test 1 in funzione di Δt gv,suff 51 Figura 3.18: Errore quadratico medio nei Test 1 in funzione di Δt gv,suff 51 Figura 3.19: Calcolo dell'indice di gradiente termico verticale 52 Figura 3.20: Errore quadratico medio nei Test 1 in funzione di Δt gl,suff 55 Figura 3.21: Errore quadratico medio nei Test 2 in funzione di Δt gl,suff 55 Figura 3.22: Calcolo dell'indice di gradiente termico laterale 56 Figura 3.23: Confronto fra l indice di comfort sperimentale e teorico 57 Figura 4.01: Fattore di vista fra due superfici infinitesime 67 Figura 4.02: Emicubo 70 Figura 4.03: Angle Over-Hanging 73 Figura 4.04: Flusso radiante (W/m 2 ) sulla superficie del cubo esterno calcolato con il modello DO 2x2 e suddivisione in pixel 1x1 74 Figura 4.05: Flusso radiante (W/m 2 ) sulla superficie del cubo esterno calcolato con il modello DO 2x2 e suddivisione in pixel 9x9 75 Figura 4.06: Flusso radiante (W/m 2 ) sulla superficie del cubo esterno con angoli paralleli agli assi cartesiani e calcolato con il modello DO 2x2 e suddivisione in pixel 1x1 75 Figura 4.07: Flusso radiante (W/m 2 ) sulla superficie del cubo esterno calcolato con il modello DO 9x9 e suddivisione in pixel 5x5 76 Figura 4.08: Flusso radiante (W/m 2 ) sulla superficie del cubo esterno calcolato con il modello S2S 76 Figura 4.09: Concentrazione dei raggi su una sfera con un modello DO 1x1 78 Figura 4.10: Concentrazione dei raggi su una sfera con un modello DO 2x2 78 Figura 4.11: Concentrazione dei raggi su una sfera con un modello DO 3x3 78 Figura 4.12: Effetto raggio con un modello DO 2x2 79 Figura 4.13: Effetto raggio con un modello DO 3x3 79 Figura 4.14: Effetto raggio con DO 9x9 80 Figura 4.15: Effetto raggio ruotando opportunamente il modello con DO 1x1 80 Figura 4.16: Falso scattering 81 Figura 5.01: Settaggio del modello S2S 89 V

8 Figura 5.02: Condizione al contorno, pannello Radiation 90 Figura 5.03: Pannello di settaggio per il calcolo dei fattori di vista 92 Figura 5.04: Pannello "Define/Models/Radiation" 96 Figura 5.05: Pannello Solar Calculator 97 Figura 5.06: Pannello Radiation Model per il Discrete Ordinates Method 98 Figura 5.07: Pannello di definizione delle proprietà dei materiali 99 Figura 5.08: Pannello Thermal dal menù Define/Boundary-Conditions 100 Figura 5.09: Trattamento delle pareti opache con modello DO 101 Figura 5.10: Pannello Radiation dal menù Define/Boundary-Condition per pareti opache 101 Figura 5.11: Pannello Radiation dal menù Define/Boundary-Condition per pareti opache con DO grigio a bande 102 Figura 5.12: Pannello Radiation dal menù Define/Boundary-Condition per pareti semitrasparenti esterne 103 Figura 5.13: Trattamento delle pareti semitrasparenti esterne con condizione al bordo di flusso radiante incidente 104 Figura 5.14: Pannello Thermal dal menù Define/Boundary-Conditions per pareti semitrasparenti interne 105 Figura 5.15: Trattamento delle pareti semitrasparenti interne 105 Figura 5.16: Pannello Radiation dal menù Define/Boundary-Conditions per superfici Inlet o Exit 106 Figura 6.01: Pannello Boundary Conditions 109 Figura 6.02: UDF Per il calcolo della T umr con il metodo S2S 111 Figura 6.03: UDF Per il calcolo della T mr con il metodo DO 114 Figura 7.01: Distribuzione di temperatura sul manichino calcolata con il modello DO rappresentando le pareti semitrasparenti con superfici 119 Figura 7.02: Distribuzione di temperatura ottenuta con il modello DO su un cubo con una parete semitrasparente schematizzata come superficie con spessore 120 Figura 7.03: Pannello Growth del software TGRID Figura 7.04: Pannello Direct del software TGRID Figura 7.05: Modifiche apportate alla superficie del cruscotto 124 Figura 7.06: Rappresentazione della mesh prismatica sul finestrino posteriore lato pilota 126 Figura 7.07: Suddivisione in threads della mesh di superficie (continua ) 127 Figura 7.08: Coefficiente di assorbimento lineare e indice di rifrazione per tre tipi di vetro comunemente usati nell edilizia 130 Figura 7.09: Assorbanza, trasmittanza e riflettanza misurati su uno spessore di 4mm per tre tipi di vetro comunemente usati nell edilizia 130 Figura 7.10: Potere emissivo del corpo nero calcolato alla temperatura di 5800 K e alla temperatura di 300 K 132 Figura 7.11: Potere emissivo del corpo nero normalizzato a 1300 W/m 2 alla temperatura di 5800, 3000, 2000 e 1000 K 133 Figura 7.12: Potere emissivo del corpo nero con temperatura pari a 300 K 133 Figura 7.13: Frazione del potere emissivo totale del corpo nero in funzione della lunghezza d onda alla temperatura di 5800, 3000, 2000 e 1000 K 134 Figura 7.14: Potere emissivo delle lampade a infrarossi in commercio 135 Figura 7.15: Menu di FLUENT Define/models/Viscous 137 Figura 7.16: Menu di FLUENT Solve/Controls/Solution : solutore Pressure Based versione Segregated 138 Figura 7.17: Menu di FLUENT Solve/Controls/Solution : solutore Pressure Based versione Coupled 139 Figura 7.18: Residui nella seconda fase della simulazione con modello DO 3x8 2x1 141 Figura 7.19: Esempio di file journal usato per l esecuzione della seconda fase delle simulazioni 141 Figura 7.20 Distribuzione di velocità (m/s) per la mesh usata con il modello DO: sezione I 142 Figura 7.21 Distribuzione di velocità (m/s) per la mesh usata con il modello DO: sezione I 142 VI

9 Figura 7.22: Distribuzione di velocità (m/s) per la mesh usata con il modello S2S: sezione II 143 Figura 7.23 Distribuzione di velocità (m/s) per la mesh usata con il modello DO: sezione II 143 Figura 7.24 Distribuzione di velocità (m/s) per la mesh usata con il modello DO: sezione III 144 Figura 7.25 Distribuzione di velocità (m/s) per la mesh usata con il modello DO: sezione III 144 Figura 7.26 Energia solare assorbita [W/m 2 ] calcolata con il modello S2S 146 Figura 7.27 Energia solare assorbita [W/m 2 ] calcolata con il modello DO 3x3 4x4 146 Figura 7.28 Energia solare assorbita [W/m 2 ] calcolata con il modello DO 3x8 2x1 146 Figura 7.29 Energia solare assorbita [W/m 2 ] calcolata con il modello DO 2x2 1x1 146 Figura 7.30 Energia solare assorbita [W/m 2 ] calcolata con il modello DO 5x5 3x3 146 Figura 7.31 Energia solare assorbita [W/m 2 ] calcolata con il modello DO 8x3 1x2 146 Figura 7.32 Temperatura di superficie [ C] calcolata con il modello S2S 147 Figura 7.33 Temperatura di superficie [ C] calcolata con il modello DO 3x3 4x4 147 Figura 7.34 Temperatura di superficie [ C] calcolata con il modello DO 3x8 2x1 147 Figura 7.35 Temperatura di superficie [ C] calcolata con il modello DO 2x2 1x1 147 Figura 7.36 Temperatura di superficie [ C] calcolata con il modello DO 5x5 3x3 147 Figura 7.37 Temperatura di superficie [ C] calcolata con il modello DO 8x3 1x2 147 Figura 7.38: Flusso di calore radiante [W/m 2 ] calcolato sulle superfici del volume del parabrezza 148 Figura 7.39 Temperatura sulla superficie del volume del parabrezza [ C] 148 Figura 7.40 Temperatura sulla sezione I [ C] calcolata con il modello S2S 149 Figura 7.41 Temperatura sulla sezione I [ C] calcolata con il modello DO 3x3 4x4 149 Figura 7.42 Temperatura sulla sezione I [ C] calcolata con il modello DO 3x8 2x1 149 Figura 7.43 Temperatura sulla sezione I [ C] calcolata con il modello DO 2x2 1x1 149 Figura 7.44 Temperatura sulla sezione I [ C] calcolata con il modello DO 5x5 3x3 149 Figura 7.45 Temperatura sulla sezione I [ C] calcolata con il modello DO 8x3 1x2 149 Figura 7.46 Temperatura sulla sezione II [ C] calcolata con il modello S2S 150 Figura 7.47 Temperatura sulla sezione II [ C] calcolata con il modello DO 3x3 4x4 150 Figura 7.48 Temperatura sulla sezione II [ C] calcolata con il modello DO 3x8 2x1 150 Figura 7.49 Temperatura sulla sezione II [ C] calcolata con il modello DO 2x2 1x1 150 Figura 7.50 Temperatura sulla sezione II [ C] calcolata con il modello DO 5x5 3x3 150 Figura 7.51 Temperatura sulla sezione II [ C] calcolata con il modello DO 8x3 1x2 150 Figura 7.52 Temperatura sulla sezione III [ C] calcolata con il modello S2S 151 Figura 7.53 Temperatura sulla sezione III [ C] calcolata con il modello DO 3x3 4x4 151 Figura 7.54 Temperatura sulla sezione III [ C] calcolata con il modello DO 3x8 2x1 151 Figura 7.55 Temperatura sulla sezione III [ C] calcolata con il modello DO 2x2 1x1 151 Figura 7.56 Temperatura sulla sezione III [ C] calcolata con il modello DO 5x5 2x2 151 Figura 7.57 Temperatura sulla sezione III [ C] calcolata con il modello DO 8x3 1x2 151 Figura 7.58 Temperatura [ C] e vettori tangenti alla velocità, sulla sezione passante per il punto di controllo posto sulla mano sinistra, calcolati con il modello S2S 153 Figura 7.59: Codice BASIC per il calcolo della temperatura media dei vestiti 158 Figura 7.60: Codice Matlab per il calcolo della temperatura media dei vestiti 159 Indice delle tabelle Tabella 1.01: Scala di giudizio ASHRAE 2 Tabella 1.02: Classificazione degli ambienti termici ISO Tabella 1.03: Valori di riferimento per il coefficiente di assorbimento della pelle 15 Tabella 1.04: Fattori di proiezione superficiale 17 Tabella 2.01: Coefficienti di sensibilità termica locale 20 Tabella 2.02: Definizione dei punti di misura 22 Tabella 3.01: Definizione dei Test di prova 26 VII

10 Tabella 3.02: Settaggio dell impianto di condizionamento 26 Tabella 3.03: Giudizi Test 1 28 Tabella 3.04: Giudizi Test 2 30 Tabella 3.05: Misure sperimentali 38 Tabella 3.06: Dati per il calcolo dell'indice di sensazione termica globale 41 Tabella 3.07: Calcolo dell'indice di sensazione termica globale 43 Tabella 3.08: Calcolo dell'indice di sensazione termica globale non considerando la prova n 2 del Test2 44 Tabella 3.09: Calcolo dell'indice di raffica 48 Tabella 3.10: Velocità all altezza della testa e indice di raffica 49 Tabella 3.11: Calcolo dell'indice di gradiente termico verticale 52 Tabella 3.12: Calcolo dell'indice di gradiente termico laterale 56 Tabella 3.13: Calcolo dell'indice di gradiente termico laterale 57 Tabella 4.01: Valori dei coefficienti τ i per i calcolo della trasmittanza 86 Tabella 4.02: Valori dei coefficienti ρ i per i calcolo della riflettanza 86 Tabella 7.01: Dimensioni della griglia utilizzata con il modello S2S 121 Tabella 7.02: Skewness della griglia utilizzata con il modello S2S 121 Tabella 7.03: Dimensioni della griglia utilizzata con il modello DO 125 Tabella 7.04: Skewness della griglia utilizzata con il modello DO 125 Tabella 7.05: Caratteristiche della mesh di volume dei corpi semitrasparenti 126 Tabella 7.06: Condizioni al bordo sulle superfici Velocity Inlet 129 Tabella 7.07: Condizioni al contorno radianti sulle superfici opache 136 Tabella 7.08: Tempi di simulazione 139 Tabella 7.09: Fattori di vista fra pilota e alcune superfici dell abitacolo 140 Tabella 7.10: Temperature nei punti di controllo 152 VIII

11 IX

12 Introduzione Il presente lavoro di tesi si iscrive in una serie di studi sulla valutazione del comfort termico nel settore automobilistico, studi sviluppati nell'ambito della collaborazione fra il dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell Università di Pisa e la Ferrari S.p.A. Il comfort termico è un elemento determinante per la valutazione dell'acquisto di un'auto: i clienti, infatti, prestano sempre una maggiore attenzione a questo aspetto. L obiettivo consiste nel verificare se un modello teorico di comfort può essere utilizzato dal designer per testare ed eventualmente ottimizzare l impianto di condizionamento nella fase iniziale di progettazione. Le verifiche sperimentali, infatti, possono essere realizzate solo in una fase avanzata di progettazione e i costi associati ad eventuali modifiche risultano elevati. In questa tesi sarà effettuato uno studio di comfort termico sull abitacolo della Ferrari Scaglietti 612. Verranno studiate 13 prove sperimentali, per ogni prova l azienda Ferrari ha reso disponibili i giudizi sul comfort termico di 5 persone esposte a diverse condizioni termiche, e le misurazioni di velocità e temperatura all interno dell abitacolo. Nel capitolo 1 verrà descritto il modello di comfort termico ISO Nonostante il modello ISO 7730 non sia applicabile ad un ambiente quale l abitacolo dell automobile (poiché l ambiente termico risulta fortemente non omogeneo) esso è tuttavia importante per la comprensione del modello di comfort che verrà utilizzato. Nel capitolo 2 sarà descritto il modello di comfort sviluppato nella ref. [2]. Nel capitolo 3 verranno studiati i dati forniti dall azienda Ferrari e applicati al modello descritto nel capitolo precedente. Il modello prevede che l indice di comfort termico sia valutabile come media pesata di quattro sotto-indici di sensazione. I dati forniti da Ferrari saranno analizzati dal punto di vista statistico per determinare l influenza degli indici di sensazione sulla valutazione del giudizio di comfort espressa dai tester. Verrà inoltre analizzata la correlazione fra gli indici di sensazione e- spressi dai tester e gli indici di sensazione valutati con il modello teorico. La seconda parte della tesi sarà incentrata sullo studio termo-fluidodinamico dell abitacolo della Ferrari Scaglietti 612. Lo studio si propone di determinare l accuratezza ottenibile con il Software Ansys FLUENT nel simulare gli scambi energetici radianti e il loro effetto su l abitacolo dell automobile. X

13 Nel capitolo 4 sarà presentato uno studio teorico dei modelli di trasferimento del calore radiante disponibili in FLUENT. Nel capitolo 5 verrà descritto nel dettaglio l implementazione in FLUENT di due modelli studiati nel capitolo precedente. Nel capitolo 6 saranno illustrate due funzioni, sviluppate in questo lavoro di tesi, per la determinazione con il software FLUENT della temperatura media radiante di una superficie. Infine nel capitolo 7 verrà presentato lo studio termo-fluidodinamico dell abitacolo, confrontando i risultati delle simulazioni effettuate in FLUENT con i dati sperimentali. XI