C : Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale Facoltà di Ingegneria

(1)

Università degli Studi di Pisa

Facoltà di Ingegneria

Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale

Tesi di laurea in Ingegneria Aerospaziale

Anno Accademico 2008/2009

C

OMFORT TERMICO NEL SETTORE AUTOMOBILISTICO

:

VALIDAZIONE DI UN MODELLO DI COMFORT

Relatori:

Candidato:

Prof. Ing.

Giovanni Lombardi

Giuseppe Agresta

Ing.

Marco Maganzi

Ing.

Ferdinando Cannizzo

(2)

Ai miei genitori

Maria e Gregorio

(3)

I

Sommario

Questa tesi analizza un modello di comfort termico applicato all’abitacolo della Ferrari

Sca-glietti 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

pre-senti in FLUENT.

(4)

II

Indice

Indice delle figure

V

Indice delle tabelle

VII

Introduzione

X

Capitolo 1

Modello di Comfort ISO 7730

1

1.1 Modello di Fanger

2

1.1.1 Procedura iterativa per la determinazione di t

cl

7

1.1.2 Draught Rating

7

1.1.3 Differenza di temperatura verticale dell’aria

8

1.1.4 Discomfort causato da pavimento caldo o freddo

8

1.1.5 Asimmetria nella temperatura media radiante

8

1.2 Classificazione degli ambienti termici

10

1.3 Effetti termici non stazionari

11

1.4 Temperatura media radiante

12

1.4.1 Calcolo della temperatura media radiante

12

1.4.2 Irraggiamento da fonti ad alta intensità

14

1.4.3 Misura della t

mr

con termometro a globo nero

15

1.4.4 Misura della t

mr

con radiometro a due sfere

17

1.4.5 Misura della temperatura media radiante piana

18 Capitolo 2

Modello di comfort

20

2.1 Indice di sensazione termica globale V

g

23

2.2 indice di raffica V

r

24

2.3 Indici di gradiente di temperatura V

gv

e V

gl

25 Capitolo 3

Prove sperimentali e giudizi

26

(5)

III

3.2 Studio di Correlazione dell’indice di Comfort

31

3.3 Studio di correlazione degli indici di sensazione

38

3.3.1 Studio di correlazione dell’indice di sensazione termica globale

40

3.3.2 Studio di correlazione dell’indice di raffica V

r

46

3.3.3 Studio di correlazione dell’indice di gradiente di temperatura V

gv

50

3.3.4 Studio di correlazione dell’indice di gradiente di temperatura V

gl

54

3.4 Correlazione fra l’indice di comfort sperimentale e quello teorico

57 Capitolo 4

Modelli di scambio radiante in FLUENT

59

4.1 Determinazione dell’equazione di conservazione dell’intensità di

flusso di energia radiante

61

4.1.1 Assorbimento

61

4.1.2 Emissione

61

4.1.3 Scattering

62

4.1.4 Equazione di conservazione

63

4.2 Surface-to-Surface (S2S) Radiation Model

65

4.2.1 Fattori di vista

66

4.2.2 Fattore di vista fra due superfici infinitesime

67

4.2.3 Fattore di vista fra una superficie infinitesima e una superficie

finita 68

4.2.4 Fattore di vista fra due superfici

69

4.2.5 Metodo “Hemicube” per il calcolo dei fattori di vista

69

4.3 Discrete Ordinates (DO) Radiation Model

71

4.3.1 Angle Over-Hanging

72

4.3.2 Concentrazione dei raggi

77

4.3.3 Effetto Raggio

79

4.3.4 Falso Scattering

81

4.4 P-1 Radiation Model e Rosseland Radiation Model

82

4.5 Discrete Transfer Radiation Model (DTRM)

84

4.6 Modello Solare

85

(6)

IV

Capitolo 5

Settaggio dei modelli di scambio di calore radiante

89

5.1 Settaggio del modello S2S

89

5.2 Settaggio del Solar Ray Tracing

96

5.3 Settaggio del modello DO

98 Capitolo 6

Calcolo della Tmr in FLUENT

107

6.1 Calcolo della Temperatura Media Radiante con il Modello S2S

108

6.2 Calcolo della Temperatura Media Radiante con il modello DO

112

6.3 Esempio di calcolo della T

mr

in FLUENT

115 Capitolo 7

Analisi

termo-fluidodinamica

dell’abitacolo della Ferrari

Scaglietti 612

118

7.1 Trattamento delle superfici semitrasparenti

118

7.2 Griglia di calcolo

121

7.2.1 Caratteristiche della griglia di calcolo utilizzata con il modello S2S

121

7.2.2 Caratteristiche della griglia di calcolo utilizzata con il modello DO

122

7.3 Condizioni al contorno

127

7.4 Procedura di simulazione

137

7.5 Risultati

142 Conclusioni e sviluppi futuri

155 Ringraziamenti

157 Appendice I: Procedura iterativa per il calcolo di tcl

158

(7)

V

Indice delle figure

Figura 1.01: tcl e Esw 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 tprm 19

Figura 3.01: Punti di definizione dei pesi con N=11 32

Figura 3.02: Sezione a Kg costante 33

Figura 3.03: Sezione a Kr costante 33

Figura 3.04: Sezione a Kgv costante 34

Figura 3.05: Sezione a Kgl costante 34

Figura 3.06: Sezione a Kg costante 36

Figura 3.07: Sezione a Kr costante 36

Figura 3.08: Sezione a Kgv costante 37

Figura 3.09: Sezione a Kgl costante 37

Figura 3.10: Errore quadratico medio nelle prove del Test 1 in funzione di Δsuff 42

Figura 3.11: Errore quadratico medio nelle prove del Test 2 in funzione di Δsuff 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 DRsuff 47

Figura 3.15: Errore quadratico medio nei Test 2 in funzione di DRsuff 47

Figura 3.16: Calcolo dell'indice di raffica 48

Figura 3.17: Errore quadratico medio nei Test 1 in funzione di Δtgv,suff 51

Figura 3.18: Errore quadratico medio nei Test 1 in funzione di Δtgv,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 Δtgl,suff 55

Figura 3.21: Errore quadratico medio nei Test 2 in funzione di Δtgl,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/m2)sulla superficie del cubo esterno calcolato con il modello

DO 2x2 e suddivisione in pixel 1x1 74

Figura 4.06: Flusso radiante (W/m2)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/m2)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

(8)

VI

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 Tumr con il metodo S2S 111

Figura 6.03: UDF Per il calcolo della Tmr 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 4.0.24 122 Figura 7.04: Pannello “Direct” del software TGRID 4.0.24 123 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/m2 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

(9)

VII

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/m2] calcolata con il modello S2S 146 Figura 7.27 Energia solare assorbita [W/m2] calcolata con il modello DO 3x3 4x4 146 Figura 7.28 Energia solare assorbita [W/m2] calcolata con il modello DO 3x8 2x1 146 Figura 7.29 Energia solare assorbita [W/m2] calcolata con il modello DO 2x2 1x1 146 Figura 7.30 Energia solare assorbita [W/m2] calcolata con il modello DO 5x5 3x3 146 Figura 7.31 Energia solare assorbita [W/m2] 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/m2] 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 7730 10 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

(10)

VIII

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 τi per i calcolo della trasmittanza 86

Tabella 4.02: Valori dei coefficienti ρi 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

(11)

(12)

X

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

dipartimen-to 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

pro-gettazione e i costi associati ad eventuali modifiche risultano elevati.

In questa tesi sarà effettuato uno studio di comfort termico sull’abitacolo della Ferrari

Sca-glietti 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 7730. 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

com-prensione 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

de-scritto 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

statisti-co per determinare l’influenza degli indici di sensazione sulla valutazione del giudizio di statisti-

com-fort 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.

(13)