日本无码免费高清在线|成人日本在线观看高清|A级片免费视频操逼欧美|全裸美女搞黄色大片网站|免费成人a片视频|久久无码福利成人激情久久|国产视频一二国产在线v|av女主播在线观看|五月激情影音先锋|亚洲一区天堂av

  • 手機(jī)站
  • 小程序

    汽車測試網(wǎng)

  • 公眾號

    • 汽車測試網(wǎng)

    • 在線課堂

    • 電車測試

車輛雨水管理性能開發(fā)（1）水管理仿真模型介紹

2020-04-17 21:14:48·  來源：中汽中心空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)室  
　
前言國際上對雨水管理問題的研究由來已久，其已經(jīng)成為汽車性能開發(fā)中成熟的一環(huán)。近年來，雨水管理問題在國內(nèi)不斷升溫，成為戰(zhàn)略性和前瞻性研究，獲得的投入不斷
前言   國際上對雨水管理問題的研究由來已久，其已經(jīng)成為汽車性能開發(fā)中成熟的一環(huán)。近年來，雨水管理問題在國內(nèi)不斷升溫，成為戰(zhàn)略性和前瞻性研究，獲得的投入不斷增加。
汽車雨水管理性能是一種視野安全性能： 雨天等惡劣天氣行車，雨水在車窗上滯留，形成點(diǎn)狀、片狀等水漬，扭曲駕駛員視線，視野清晰度下降，從而對安全駕駛形成重大隱患。
 
圖1 車輛表面雨水污染[1]
側(cè)窗與后視鏡上液膜來源于A柱溢流與自由流卷入，這兩者會阻擋駕駛員視野，對駕駛安全性產(chǎn)生惡劣影響。雨水運(yùn)動與分布特性受到其自身重力、慣性、氣流產(chǎn)生的摩擦力、汽車表面剪切力的影響。如果要減少A柱溢流、后視鏡溢流，并控制雨水運(yùn)動路徑，使其盡量避開主要視野區(qū)域，就要對汽車前方和側(cè)方流場進(jìn)行管理。
 
圖2 車體表面雨水污染試驗(yàn)[2]
隨著硬件條件的提高與兩相流仿真技術(shù)的發(fā)展，車體表面雨水仿真在上世紀(jì)90年代被引入整車雨水管理，如今已成為雨水管理性能開發(fā)的重要手段。然而，雨水污染是十分復(fù)雜的湍流行為，其仿真準(zhǔn)確度不僅取決于近壁面流場的精確模擬，還取決于多相流物理模型的諸多參數(shù)設(shè)置。
主流CFD軟件均推出了可應(yīng)用于雨水管理仿真的解決方案，本文將部分介紹其中基于續(xù)介質(zhì)力學(xué)的模型。
 
不難想象，實(shí)現(xiàn)“雨水污染車體”的模擬，就要重現(xiàn)雨滴打到車體表面、形成水漬、水漬運(yùn)動這一過程。因此，需要建立的主要模型為液滴模型（用于模擬雨滴在氣體中運(yùn)動與相互作用）、水膜模型（用于模擬車體表面雨膜的形成與運(yùn)動）以及兩者間的轉(zhuǎn)化關(guān)系模型。
模型的建立有以下幾個關(guān)鍵點(diǎn)：外流場建立（尤其是近壁面流場）；液滴與壁面的撞擊效應(yīng)；液體由滴狀轉(zhuǎn)化為薄膜的過程；液膜沿壁面運(yùn)動過程；液膜從壁面的剝離過程。
基于拉格朗日架構(gòu)建立的離散模型稱為拉格朗日粒子模型，是一種十分簡便的液滴模擬手段，其最初用于發(fā)動機(jī)中形成的液體壁膜的運(yùn)動和蒸發(fā)[3]。將液滴視為拉格朗日粒子，當(dāng)其與固體表面相遇時，可以形成一層液體薄膜。該模型在雨水管理中主要涉及以下物理現(xiàn)象：粒子間的撞擊作用、粒子與氣相的耦合、粒子與壁面接觸過程。需要注意的是，離散相建模的前提是粒子濃度足夠小，可以看作“稀釋”狀態(tài)。一旦違反此假設(shè)，模型計(jì)算會出現(xiàn)較大偏差。
常用的CFD軟件star-ccm+中對拉格朗日粒子給出了大量可供選擇的模型，用戶可根據(jù)粒子屬性與狀態(tài)選擇模型，其中球狀材料液滴模型常用于雨水管理開發(fā)。除此之外，固體顆粒也可進(jìn)行車體表面灰塵污染仿真。
在雨水管理中，忽略能量傳輸，不需要考慮冷凝蒸發(fā)作用帶來的粒子增加或消失。如果追求更精確的建模，可以對粒子二次破碎模型進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)置，也可以為撞擊過程添加更準(zhǔn)確的模型。
 
圖3 離散例子的運(yùn)動
 
對于所有薄膜近似，第一假設(shè)是薄膜厚度遠(yuǎn)小于車輛壁的特征幾何尺寸（曲率半徑）。這一假設(shè)對汽車的大多數(shù)表面區(qū)域都有效，但可能在非常尖銳的拐角處（例如后視鏡的后緣處）不適用。第二個假設(shè)是薄膜中的液體流動是層流的，速度為線性。三是假定作用于液膜的慣性力和靜力學(xué)效應(yīng)可以忽略不計(jì)，并假定外界氣流速度遠(yuǎn)大于液膜流速。
在質(zhì)量守恒方程中包含了膜厚度hf 的求解方法：
      
 
式中 ρf 為膜密度，vf 是膜速度，f 下標(biāo)表示液膜相。
液膜動量方程為：
 
式中，sm為動量源，pf 是壓力，fb 是體積力（如重力、形狀阻力、離心力、虛擬質(zhì)量力），Tf 是薄膜內(nèi)的粘性應(yīng)力張量。
下圖展示了液膜計(jì)算結(jié)果
圖4 液膜模型仿真結(jié)果
 
正如前文所述，液膜模型是基于層流假設(shè)建立的。在車速較高、雨量較大的真實(shí)駕駛環(huán)境中，液相往往是極不穩(wěn)定的湍流流動（如水流劇烈抖動或加速破碎現(xiàn)象），此時需要對液膜模型加以修正。
 
液膜與拉格朗日粒子相互轉(zhuǎn)化關(guān)系為：粒子與固體或液膜表面接觸成為液膜、液膜剝離成為粒子，在本類研究中主要需要考慮后者的建模。
液膜剝離為粒子有兩種途徑，一是波形剝離，其過程為：液膜自由表面形成波形，波浪增長不穩(wěn)定，液膜厚度達(dá)到臨界值發(fā)生剝離，剝離的流體形成圓柱體最后成為液滴[4]。
圖5 波形剝離過程[4]
 
二是邊緣剝離，剝離過程由液膜速度、周圍流體速度、邊緣角度決定。
 
圖6 邊緣剝離過程[4]
下圖展示了液膜波形剝離與邊緣剝離過程：
 
圖6 粒子剝離過程[3]
 
VOF方法在是一種常用的多相流模擬的重要手段，已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟。通過下圖可以看到，VOF可以模擬條狀水流與點(diǎn)狀液滴。但由于精確捕捉氣液交界面所需極高的網(wǎng)格密度，該方法耗費(fèi)的計(jì)算資源較大。
圖7 VOF計(jì)算結(jié)果
 
結(jié)語  以上模型為常用于雨水管理仿真的模型，可以單獨(dú)使用也可以進(jìn)行耦合仿真。每種模型自有其優(yōu)缺點(diǎn)。在進(jìn)行雨水仿真時，需要根據(jù)需求選擇恰當(dāng)?shù)囊环N或多種模型，再結(jié)合車速、雨量等工況，對參數(shù)設(shè)置進(jìn)行修正。
 
[1] Kruse, N. and Chen, K., “Exterior Water Management Using a Custom Euler-Lagrange Simulation Approach,” SAE Technical Paper 2007-01-0101
[2] Islam, M., 2004. Advanced Topics in the Simulation of External Vehicle Flows atAudi. In: STAR-CD Conference, London.
[3] O'Rourke, P., Amsden, A., 1996. A Particle Numerical Model for Wall Film Dynamics in Port-injected Engines. In: Society of Automotive Engineers, SAE Paper Nr. 961961.
[4] star- ccm+ 12.02 USER GUID.
 
 
分享到：
 
反對 0 舉報(bào) 0 收藏 0 評論 0
滬ICP備11026917號-25