中國(guó)汽研風(fēng)洞中心自2023年成立汽車先進(jìn)水管理創(chuàng)新工作室，致力于開展汽車水管理領(lǐng)域前沿科技研究。經(jīng)過(guò)近兩年的探索發(fā)展，工作室在風(fēng)洞降雨測(cè)試技術(shù)、基于SPH方法的復(fù)雜流體仿真技術(shù)等方面取得階段性成果。下面將以分期分享的形式，對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行詳細(xì)介紹。

一、概述

試驗(yàn)?zāi)M技術(shù)中，風(fēng)雨場(chǎng)是一種模擬自然風(fēng)雨環(huán)境的試驗(yàn)裝置、場(chǎng)景，它結(jié)合了風(fēng)洞技術(shù)和噴雨裝置，可同時(shí)產(chǎn)生風(fēng)速和降雨效果[1]。驗(yàn)證車輛在雨天時(shí)的雨污防護(hù)性能和車窗視野性能等試驗(yàn)場(chǎng)景中，降雨噴頭會(huì)均勻布置在風(fēng)洞出口處，水速方向和風(fēng)向平行，以獲得更加均勻的風(fēng)雨場(chǎng)。目前，汽車風(fēng)洞中普遍使用“噴雨”機(jī)構(gòu)布置方式，但是此布置方式與自然降雨環(huán)境差異較大，難以憑借水文和水力特征定義降雨強(qiáng)度特征。因此，對(duì)應(yīng)雨滴與測(cè)試對(duì)象之間的相對(duì)速度，以及雨滴速度分布均勻性成為特別關(guān)注的因素。

為了對(duì)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室中的“噴雨”機(jī)構(gòu)的建設(shè)和優(yōu)化提供參考，中國(guó)汽研通過(guò)采用PIV（粒子圖像測(cè)速）技術(shù)，對(duì)噴雨式風(fēng)雨速度場(chǎng)進(jìn)行了精密測(cè)量，精確捕捉了環(huán)境風(fēng)洞內(nèi)雨滴粒子隨氣流運(yùn)動(dòng)的速度變化與空間分布特征。

二、中國(guó)汽研環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室

中國(guó)汽研環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室為3/4開口式回流風(fēng)洞，試驗(yàn)段長(zhǎng)寬高分別為：18 m×13 m×8 m，風(fēng)洞內(nèi)來(lái)流速度0～200 kph可調(diào)，湍流強(qiáng)度≤1.5%。為實(shí)現(xiàn)逼真的“噴雨”模擬效果，試驗(yàn)室優(yōu)化了原有降雨格柵結(jié)構(gòu)，集成了72套快插型實(shí)心錐噴霧噴嘴，在標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)水壓下，能夠穩(wěn)定地生成120°的實(shí)心水錐面，從而精準(zhǔn)模擬降雨場(chǎng)景。

圖1   中國(guó)汽研環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室“噴雨”機(jī)構(gòu)

三、實(shí)驗(yàn)裝置

圖2  PIV測(cè)量試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

本次實(shí)驗(yàn)采用PIV測(cè)量系統(tǒng)由200 mj雙腔雙脈沖激光器，激光器片光源，PCO edge 5.5M跨幀相機(jī)，分辨率2560×2160，時(shí)序同步器及PIVview等相關(guān)配套軟件構(gòu)成，配置參數(shù)如表1所示。

表1  PIV系統(tǒng)配置

四、工況設(shè)置

在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中主要通過(guò)噴射氣流的帶動(dòng)作用形成風(fēng)雨場(chǎng)環(huán)境，車輛保持靜止?fàn)顟B(tài)，通過(guò)調(diào)整來(lái)流速度來(lái)復(fù)現(xiàn)不同車輛行駛狀態(tài)。為全面探究風(fēng)洞常規(guī)試驗(yàn)場(chǎng)景的風(fēng)雨場(chǎng)速度分布情況，本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置風(fēng)速工況：60 kph、80 kph、100 kph、120 kph、160 kph。

圖3  PIV測(cè)量位置示意圖

如圖3所示，PIV系統(tǒng)的圖像采集點(diǎn)布置于距離噴口X=2.2 m~3.8 m、高度Z=1 m~2.4 m的平面區(qū)域內(nèi)，基本覆蓋大部分乘用車從進(jìn)氣格柵至風(fēng)窗頂端的空間區(qū)間。另外，為補(bǔ)充環(huán)境風(fēng)洞中風(fēng)雨場(chǎng)的空間分布數(shù)據(jù)，測(cè)量過(guò)程中進(jìn)一步在Y=0 m、0.8 m、-0.8m三個(gè)特征平面上分別進(jìn)行采集測(cè)量工作。

五、試驗(yàn)結(jié)果

圖4    PIV拍攝的雨滴粒子運(yùn)動(dòng)圖像

試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在pivview軟件環(huán)境中進(jìn)行后處理計(jì)算流程，實(shí)現(xiàn)了判讀區(qū)域設(shè)置、FFT互相關(guān)性分析、后處理優(yōu)化、數(shù)據(jù)輸出等處理步驟，相關(guān)結(jié)果如下：

5.1 雨滴粒子速度分布

圖5   雨滴粒子速度分布場(chǎng)@60kph

圖6  雨滴粒子速度分布場(chǎng)@80kph

雨滴粒子在噴射氣流的“攜帶”作用下沿X軸方向逐漸遠(yuǎn)離噴口，其運(yùn)動(dòng)速度呈現(xiàn)“漸進(jìn)式”增加趨勢(shì)。

圖7   雨滴粒子與氣流速度差異分布

如圖7所示，雨滴粒子與氣流之間的速度差異顯著，但此差異隨著X軸方向上與噴口距離的增大，以及雨滴粒子持續(xù)加速，而逐漸趨于減小。

5.2 雨滴粒子速度分布均勻性分析

圖8  雨滴粒子速度分布均勻性分析@60 kph

圖9  雨滴粒子速度分布均勻性分析@80 kph

如圖8、9分別列出了常用工況下中各平面的速度對(duì)比情況、并引入了速度變異系數(shù)*（系數(shù)越小說(shuō)明一致性越佳）作為評(píng)估指標(biāo)，Y向速度分布的變異系數(shù)≤4.1%，Z向高度上雨滴粒子速度分布變異系數(shù)均小于等于5%。

*變異系數(shù)即標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，用于衡量數(shù)據(jù)離散波動(dòng)性。

六、說(shuō)明

中國(guó)汽研環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)室應(yīng)用PIV技術(shù)測(cè)量風(fēng)雨場(chǎng)速度，精確捕捉雨滴速度分布，提出了空間雨場(chǎng)內(nèi)速度均勻性的評(píng)估方法。根據(jù)本次測(cè)量結(jié)果，雨滴粒子越靠近X向下游位置，其速度與風(fēng)速的差異率越?。ā?5%@X=3800）。同時(shí)，X向下游位置雨滴粒子在Y向的速度分布也展現(xiàn)出良好的均勻性，為車輛在“噴雨”式風(fēng)雨場(chǎng)中的安裝設(shè)置提供了數(shù)據(jù)支撐。

同時(shí)，中國(guó)汽研面相行業(yè)推出了PartoX復(fù)雜流體環(huán)境仿真軟件，采用基于新型SPH無(wú)網(wǎng)格方法的求解器，適用于任意復(fù)雜壁面和界面的流動(dòng)問(wèn)題，能夠完美覆蓋整車及部件水管理開發(fā)典型場(chǎng)景?；诖隧?xiàng)PIV測(cè)量結(jié)果，得到風(fēng)洞試驗(yàn)場(chǎng)景下的真實(shí)風(fēng)/雨速度場(chǎng)及負(fù)載、雨滴粒徑及分布結(jié)果，用于定制雨水模型、映射及修正表面張力、氣動(dòng)力負(fù)載模型等，確保仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果一致性。

下期分享將展開PartoX復(fù)雜流體環(huán)境仿真軟件的涉水場(chǎng)景（耦合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度）案例介紹，敬請(qǐng)期待!

參考文獻(xiàn)

【1】 Liu Q , Liu H , Zhou Q ,et al.Numerical research on rain field intensity and uniformity of a high-velocity rain wind tunnel[J].IOP Publishing Ltd, 2024.DOI:10.1088/1742-6596/2820/1/012073