一、前言

下雨時(shí)開(kāi)車(chē)通常會(huì)給人帶來(lái)很大壓力。在這種情況下，雨水可能會(huì)淹沒(méi)水管理設(shè)備，導(dǎo)致雨水流到車(chē)輛側(cè)窗。這會(huì)嚴(yán)重?fù)p害駕駛員的車(chē)門(mén)后視鏡和橫向交叉口處的視野。

汽車(chē)水管理設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)檫@通常到設(shè)計(jì)階段的后期才能進(jìn)行測(cè)試。此外，傳統(tǒng)的水管理特征，如溝槽和渠道，會(huì)產(chǎn)生不良的外形和較差的噪聲。在設(shè)計(jì)周期的早期發(fā)現(xiàn)水管理問(wèn)題，如A柱溢流，可以盡量減少水管理特征的負(fù)面影響。所以需要對(duì)擋風(fēng)玻璃水管理進(jìn)行數(shù)值模擬。

二、介紹

本文著重介紹了A柱溢流模擬的最新進(jìn)展。這包括對(duì)捷豹轎車(chē)的驗(yàn)證研究和使用Exa-PowerFLOW進(jìn)行數(shù)值模擬及風(fēng)洞試驗(yàn)。將兩種不同車(chē)速下的計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。CFD結(jié)果被用于進(jìn)一步研究A柱溢流點(diǎn)的機(jī)制。這包括詳細(xì)調(diào)查A柱的流動(dòng)情況和對(duì)水管理的影響。

在當(dāng)今的汽車(chē)發(fā)展中，空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)主要關(guān)注溫室氣體排放、燃料消耗、熱管理、駕駛動(dòng)力學(xué)和最大速度等指標(biāo)。在減阻降升力、氣動(dòng)聲學(xué)和熱防護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)不降低的同時(shí)，車(chē)輛涉水時(shí)對(duì)視覺(jué)、可見(jiàn)度、系統(tǒng)功能和美觀的影響也變得越來(lái)越重要。這些問(wèn)題也需要在車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中加以考慮。例如，水淤積在車(chē)窗、后視鏡和車(chē)燈上會(huì)影響駕駛員的視力。此外，安全相關(guān)系統(tǒng)（如制動(dòng)系統(tǒng)）可能會(huì)受到積水的影響。要獲得正確模擬結(jié)果，了解車(chē)輛的邊界條件是十分必要的。一般來(lái)說(shuō)，有兩種機(jī)制會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛污濁和車(chē)輛表面積水：自身污濁和外來(lái)污濁。

車(chē)輪在潮濕的路面上滾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致自污。道路上的液體由于輪胎施加的粘附力收集，當(dāng)旋轉(zhuǎn)輪的離心力超過(guò)水和輪胎之間的粘附力時(shí)，水被切向甩到空氣中?？諝庵械乃伪煌扑偷狡?chē)周?chē)耐牧髁鲌?chǎng)中，然后撞擊到汽車(chē)表面。其他車(chē)輛經(jīng)過(guò)水洼會(huì)導(dǎo)致異污。根據(jù)液滴直徑的不同，較小的液滴將趨向于跟隨流線，而較大的液滴將由于其慣性而偏離此路徑。當(dāng)這些液滴撞擊下游車(chē)輛的表面時(shí)，它們要么粘附，要么飛濺，然后破裂，再變成液滴。如圖1所示，粘附的液滴可以在車(chē)輛表面上移動(dòng)或積聚形成水珠和液膜。車(chē)身表面水的運(yùn)動(dòng)是由周?chē)鷼饬骱椭亓Ξa(chǎn)生的剪應(yīng)力引起的。


圖1 側(cè)窗處液流分離

三、實(shí)驗(yàn)建立

車(chē)輛污濁程度測(cè)試可在與道路狀況相當(dāng)?shù)奶厥庠囼?yàn)跑道上進(jìn)行。但是在實(shí)際情況中無(wú)法充分控制邊界條件，例如側(cè)風(fēng)或地表和空氣中的水量。因此，最好在風(fēng)洞中對(duì)車(chē)輛污濁進(jìn)行研究，這樣可以控制起始流速和水量。這里介紹的所有實(shí)驗(yàn)都是在風(fēng)洞中進(jìn)行的，如圖2所示。


圖2 風(fēng)洞的側(cè)視圖和俯視圖

為了能觀察水流和液膜運(yùn)動(dòng)，將熒光染料加入水中，然后用高清攝像機(jī)獲取流動(dòng)信息。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了研究剪切應(yīng)力和重力對(duì)水流在a柱和側(cè)窗上運(yùn)動(dòng)的影響，分析了三種氣流速度：80km/h、100km/h和120km/h。在所有實(shí)驗(yàn)中，水熒光混合物的體積流量保持恒定在70ml/min。每個(gè)試驗(yàn)至少進(jìn)行60s。在測(cè)量過(guò)程中，以每秒50幀的全高清分辨率（1920×1080）記錄流體的運(yùn)動(dòng)。為了便于對(duì)A柱和側(cè)窗上記錄的液流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量分析，定義了坐標(biāo)系，如圖3所示。其原點(diǎn)設(shè)置在側(cè)玻璃的左上角。橫坐標(biāo)軸與氣流方向平行；縱坐標(biāo)與向下的氣流垂直。


圖3 引入坐標(biāo)系確定液流位置

在所提出的實(shí)驗(yàn)裝置中，可以從兩個(gè)方面來(lái)考慮液流和液膜的運(yùn)動(dòng)：第一個(gè)方面是研究液體在側(cè)窗上的初始運(yùn)動(dòng)，以50hz的頻率記錄。根據(jù)它前面的每個(gè)時(shí)間的位置，可以推導(dǎo)出速度和加速度。在實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步觀察到，流體在初始化階段后達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。

本文的第二個(gè)重點(diǎn)是準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)水流的研究。在空氣流速為80km/h和水熒光混合物體積流量為70ml/min的情況下，側(cè)玻璃上的初始階段和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)如圖4所示。


圖4 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始（左上），2秒后初始化階段（右上），10秒后初始化階段（左下），20秒后準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（右下）

對(duì)于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)研究，每個(gè)實(shí)驗(yàn)案例重復(fù)5次，以獲得可靠的液流路徑和形狀統(tǒng)計(jì)。如圖所示為80 km/h、100 km/h和120km/h的空氣流速和70 ml/min的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)水流的數(shù)字化幾何結(jié)構(gòu)。


圖5 用70ml/min的水體積流量（灰色）和平均值（黑色）描繪的5個(gè)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)軌跡

很明顯，流速對(duì)A柱溢流位置沒(méi)有影響。在80公里/小時(shí)的較低速度下，可以看到水流以恒定的軌跡向下移動(dòng)，這表明重力和剪切應(yīng)力之間的平衡。在較高速度（100 km/h和120 km/h）下，剪切應(yīng)力對(duì)水流的影響增大。隨著空氣速度的提高，A柱漩渦變得更為明顯，沿著A柱，側(cè)玻璃上的漩渦向后推動(dòng)。

五、數(shù)值設(shè)置

為了減少計(jì)算成本，仿真模擬使用了一個(gè)邊界“播種箱”。“播種箱”的入口大約在車(chē)輛前圍板前0.3m處，側(cè)壁足夠大，可以包圍整個(gè)后視鏡尾跡和大約0.3m的前擋風(fēng)玻璃。在實(shí)驗(yàn)中，邊界的出口被安置在實(shí)驗(yàn)中液流接觸側(cè)窗底部的后面。

該求解器假設(shè)水可以近似為薄膜層，由氣-液界面和液-固界面上的剪切應(yīng)力驅(qū)動(dòng)。求解器還考慮了重力，重力被視為作用在液膜上的體力。然后根據(jù)包括上述表面和體積力在內(nèi)的動(dòng)量平衡計(jì)算速度。

這項(xiàng)研究的目的之一，是要觀察水流在A柱和側(cè)窗上的運(yùn)動(dòng)。

在數(shù)值模擬中，液膜采用標(biāo)準(zhǔn)特性，粘度為0.001帕秒，表面張力為0.0728 N/m，密度為1000 kg/m3。選擇噴嘴位置、流量和噴射方向與實(shí)驗(yàn)接近。

六、數(shù)值結(jié)果

在真實(shí)的a柱上進(jìn)行液流數(shù)值模擬是一項(xiàng)很有挑戰(zhàn)性的工作。這是因?yàn)橐毫鬟\(yùn)動(dòng)對(duì)氣流的敏感性非常高，需要高保真度的瞬態(tài)氣流模擬。此外，如我們的實(shí)驗(yàn)部分所示，薄膜達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間尺度很長(zhǎng)。

當(dāng)剪切力和重力之間的平衡被破壞時(shí)，薄膜厚度的微小變化（<0.1 mm）可導(dǎo)致液流軌跡的大變化。在這些條件下，預(yù)測(cè)趨勢(shì)的能力，如先前所示從80km/h到100km/h的液流軌跡變化，是非常重要的。

物理時(shí)間3.5s時(shí)80km/h和100km/h的模擬結(jié)果如圖7所示。這些結(jié)果表明，在80km/h時(shí)，可以預(yù)測(cè)液流的基本趨勢(shì)是向后下方流動(dòng)，在100km/h時(shí)，可以預(yù)測(cè)液流的基本趨勢(shì)是沿密封件流動(dòng)。


圖7 80 km/h（頂部）和100 km/h（底部）時(shí)A柱模擬的膜厚結(jié)果

七、結(jié)果討論

除了模擬A柱和側(cè)玻璃上的液流運(yùn)動(dòng)外，數(shù)值模擬還可以深入了解觀察到的行為發(fā)生的原因。為了便于討論，將A柱溢出問(wèn)題分解為多個(gè)區(qū)域，并簡(jiǎn)要描述了影響每個(gè)區(qū)域內(nèi)薄膜流動(dòng)的主要空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象：

1.擋風(fēng)玻璃

A柱上流動(dòng)的大部分水來(lái)自擋風(fēng)玻璃。水流被雨刷器或前風(fēng)窗氣流帶到A柱槽。這可以從圖8中的表面流線朝向A柱的方式看出。前圍上的渦流在擋風(fēng)玻璃底部附近形成一個(gè)靜止區(qū)域，有助于排水。


圖8 此圖顯示了80公里/小時(shí)（左）和100公里/小時(shí)（右）情況下的表面摩擦力和流線

2.A柱槽

A柱槽內(nèi)的水主要向上流至車(chē)頂上的水管理通道，或向下流至前圍。液膜從A柱槽向上移動(dòng)或者向下移動(dòng)的位置取決于液膜動(dòng)量、表面摩擦力、重力和由空氣引發(fā)的剪應(yīng)力之間的平衡。液膜流入槽內(nèi)會(huì)失去很多動(dòng)力，槽內(nèi)的液膜移動(dòng)相當(dāng)緩慢。這意味著我們主要關(guān)心的是空氣產(chǎn)生的表面摩擦（剪切應(yīng)力）和作用在液膜上的重力之間的力平衡。由于水的性質(zhì)，我們可以估計(jì)作用在每1mm厚度的膜上的力為1N/m2。通過(guò)圖8，我們可以看到可以由表面摩擦力支撐的液膜沿著排水槽增加。

3.A柱臺(tái)階

一旦水沖破A柱臺(tái)階，它很可能到達(dá)側(cè)窗。由于聲學(xué)原因，A柱臺(tái)階與水流成角度，這樣水流就可以附著在A柱臺(tái)階上。如圖9所示，該附加流產(chǎn)生一個(gè)剪切力，將液膜向上推到a柱上。


      圖9 80km/h條件下A柱溢流處的速度和流線

4.A柱

一旦液膜到達(dá)A柱表面，它就會(huì)進(jìn)入一個(gè)較高的表面摩擦區(qū)域，從而加速薄膜在A柱周?chē)囊苿?dòng)。在80 km/h和100km/h的情況下，可以看到高摩擦區(qū)域平行于圖中的A柱臺(tái)階。在穿過(guò)高剪切區(qū)域后，薄膜流沿著A柱表面分離，形成低表面摩擦區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)的液膜會(huì)因重力而下降，進(jìn)入門(mén)縫并排出。然而，在本研究中的80km/h和100km/h兩種情況下，溢流位置附近都有一個(gè)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，為該高度的薄膜提供了一個(gè)通向門(mén)縫的橋梁。在圖8左圖中，可以看到這座橋梁在a柱的一個(gè)紅色斑塊上。

5.門(mén)縫

在車(chē)門(mén)和A柱之間有一個(gè)間隙，為A柱提供了另外的屏障。在這個(gè)間隙中有一個(gè)相當(dāng)大的流動(dòng)區(qū)域，重力或薄膜動(dòng)量將帶其穿過(guò)這個(gè)間隙。這就意味著除非有足夠的溢流，否則進(jìn)入該間隙的水將被排出。

6.車(chē)門(mén)密封

車(chē)門(mén)密封件為液膜流到車(chē)輛側(cè)窗提供了最后一道屏障。液膜穿過(guò)車(chē)門(mén)密封件后，沿密封件后緣有一個(gè)小的分離。這種分離氣泡有助于保持液膜沿密封流動(dòng)，即使在密封已被打破也是如此。在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)中，都觀察到水沿著該密封流動(dòng)。

7.側(cè)窗

液膜接觸到側(cè)玻璃并不意味著它必然會(huì)導(dǎo)致駕駛員的能見(jiàn)度問(wèn)題。例如，液膜沿著車(chē)門(mén)密封條流動(dòng)可以將注意力分散將到最低程度。在100km/h和120km/h的試驗(yàn)中，水流過(guò)側(cè)窗的上部，這不會(huì)影響到駕駛員的視野。需要關(guān)注的是那些阻礙駕駛員觀察側(cè)窗的80km/h的液流。側(cè)窗液流的路徑受作用在側(cè)窗上的剪應(yīng)力的影響。這意味著，對(duì)側(cè)窗的改變會(huì)影響側(cè)玻璃水溝的路徑。

圖10可以看出80和100 km/h情況下表面摩擦強(qiáng)度的差異。100km/h的情況下，提供了一個(gè)非常大的向上的力，使它流到側(cè)窗。這種向上的力來(lái)自A柱渦流。在100公里/小時(shí)和120公里/小時(shí)的情況下，作用在薄膜上的剪切力足以使液流固定在側(cè)玻璃密封件上，并遠(yuǎn)離駕駛員的視野。


圖10 80 km/h（左）和100 km/h（右）情況下的表面摩擦側(cè)視圖

八、總結(jié)

本文對(duì)轎車(chē)的A柱和側(cè)窗進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)。這些實(shí)驗(yàn)得出了可重復(fù)的結(jié)果，根據(jù)這些結(jié)果可以驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果。

使用液膜模型進(jìn)行的模擬能夠預(yù)測(cè)液流軌跡的總體趨勢(shì)。在80km/h的情況下，液流橫穿側(cè)窗，在100km/h的情況下，液流沿著車(chē)門(mén)頂部的密封流動(dòng)。

模擬結(jié)果的進(jìn)一步研究表明，這種行為是由于車(chē)輛側(cè)窗的表面剪應(yīng)力強(qiáng)度隨車(chē)速的變化引起的。由于作用在薄膜上的重力和粘滯力隨車(chē)速保持恒定，剪應(yīng)力的變化會(huì)使力的平衡發(fā)生變化，從而產(chǎn)生不同的液流軌跡。

本文選自：
Advances in Modelling A-PillarWater Overflow Jilesen, J., Spruss, I., Kuthada, T., Wiedemann, J. et al.,"Advances in Modelling A-Pillar Water Overflow," SAE Technical Paper ，2015-01-1549