基于CFD的整車涉水性能仿真預(yù)測

胡穎 汪曉虎 董丹丹

摘 要：發(fā)動機氣缸進水將直接導(dǎo)致車輛熄火甚至發(fā)動機報廢，因此避免發(fā)動機進氣口水入侵是整車涉水性能開發(fā)的關(guān)注重點。本文采用流體力學(xué)的兩相流模型和動網(wǎng)格模型建立整車涉水仿真模型。通過實時監(jiān)測發(fā)動機艙水位高度、發(fā)動機進氣口的水體積分數(shù)和進水量來預(yù)測整車涉水性能。對標(biāo)發(fā)動機艙內(nèi)水位高度的實驗與仿真結(jié)果，驗證了此方法可應(yīng)用于車輛涉水性能的前期預(yù)測。整車涉水仿真為發(fā)動機進氣口水流路徑優(yōu)化提供設(shè)計指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：計算流體力學(xué) 整車涉水仿真 發(fā)動機進氣口 兩相流 動網(wǎng)格

Abstract：The water in the engine cylinder will directly cause the vehicle to stall or even the engine to be scrapped. Therefore， avoiding the water intrusion of the engine intake is the focus of the development of the vehicle's wading performance. In this paper， a two-phase flow model and a dynamic mesh model of fluid mechanics are used to establish a simulation model of the entire vehicle wading. Through real-time monitoring of the water level of the engine compartment， the water volume fraction of the engine air intake and the water inflow， the water performance of the vehicle can be predicted. The experimental and simulation results of the water level in the standard engine compartment verify that this method can be applied to the early prediction of the vehicle's wading performance. The vehicle wading simulation provides design guidance for the optimization of the water flow path of the engine air intake.

Key words：computational fluid dynamics， vehicle wading simulation， engine intake， two-phase flow， dynamic mesh

1 引言

車輛涉水性能是指車輛在暴雨或者一定深度積水路的惡劣環(huán)境下能夠正常行駛，車輛重要零部件不出現(xiàn)重大失效和功能性損壞的能力。其中，發(fā)動機氣缸進水將直接導(dǎo)致車輛熄火甚至發(fā)動機報廢，因此避免發(fā)動機進氣口水侵入是車輛涉水性能開發(fā)的關(guān)注重點。

目前車輛涉水性能開發(fā)在項目前期主要依靠以往失效模式和經(jīng)驗總結(jié)來預(yù)測風(fēng)險并進行設(shè)計規(guī)避，無法保證預(yù)測的精準(zhǔn)度，還會造成設(shè)計冗余;在項目后期，車輛涉水路駕駛試驗是唯一的驗證手段，存在驗證困難、工程改動成本高和更改周期長等缺陷[1]。

本文采用流體力學(xué)方法模擬整車涉水過程中的發(fā)動機艙水位高度、發(fā)動機進氣口的水體積分數(shù)和進水量來預(yù)測發(fā)動機進氣口水侵入風(fēng)險，為整車涉水性能開發(fā)提供有利手段[2-3]。

2 理論模型

2.1 兩相流模型

本文模擬車輛涉水過程中水和空氣交界面變化，水和空氣屬于兩種連續(xù)介質(zhì)且不相融，故采用VOF兩相流模型。

VOF模型通過求解連續(xù)性方程（1）獲得不同時刻第q相流體的體積分數(shù)αq來構(gòu)造和追蹤交界面[4]。

2.2 動網(wǎng)格模型

本文采用動網(wǎng)格模型模擬車輛在涉水路駕駛試驗中的實際運動狀態(tài)。動網(wǎng)格模型模擬由于流場域邊界剛體運動或者邊界變形引起的流體域形狀隨時間變化的流動問題[5]。

對任意一個邊界運動的控制體V，廣義標(biāo)量φ的守恒方程如下：

式中，ρ為流體密度;u為流體速度矢量;ug為動網(wǎng)格的網(wǎng)格速度;為耗散系數(shù);為φ的源項。

3 仿真分析

3.1 網(wǎng)格劃分

整車面網(wǎng)格包含整車外表面、車外底盤零件和發(fā)動機艙內(nèi)部零件，乘客艙形成一個封閉體。流體計算域分為4個部分：車前區(qū)域、車后區(qū)域、車周圍的核心區(qū)域和過渡區(qū)域，如圖1所示。核心區(qū)域采用貼體性較好的四面體網(wǎng)格離散并對發(fā)動機艙區(qū)域加密[6]，其余三個區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散并在涉水路的水面高度處加密。

3.2 仿真模型及邊界條件

本文采用Fluent軟件進行整車涉水仿真。本文采用瞬態(tài)分析，湍流模型選擇k-omega模型，多相流模型選擇VOF模型。本文采用動網(wǎng)格模型中的層鋪法，根據(jù)涉水路駕駛試驗中的車速指定網(wǎng)格運動。仿真模型如圖2所示，整車表面、涉水路地面和兩側(cè)壁面都采用無滑移壁面邊界條件。涉水路上方采用壓力出口邊界條件，相對壓力為0。發(fā)動機進氣口采用壓力出口邊界條件，根據(jù)進氣系統(tǒng)壓降定義負壓。

3.3 流場關(guān)鍵參數(shù)獲取

本文采用多孔介質(zhì)模型來模擬中冷器、冷凝器和散熱器。水流遇到冷卻模塊受阻，水位會沿著冷卻模塊前端上升，而發(fā)動機進氣口位置一般布置在冷卻模塊之上，是重要水流路徑。

本通過實驗設(shè)計，如圖3所示，測得通過中冷器、冷凝器和散熱器的水流流速與壓降關(guān)系曲線。

多孔介質(zhì)壓降關(guān)系為：

式中，一次項系數(shù)b和二次項系數(shù)a與慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)的關(guān)系為：

根據(jù)公式（4）和（5）求得散熱器、冷凝器和中冷器對水流的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)（沿流動方向），如表1所示。

4 對標(biāo)驗證

本文對某車型在涉水路駕駛過程中的發(fā)動機艙內(nèi)水位高度進行實驗與仿真對標(biāo)。

圖4為仿真獲得的不同時刻車外水面變化情況。車輛行駛的前4秒，水面受到車輛沖擊，車頭水位高過格柵頂端，車輛受到水的阻力，車速下降并穩(wěn)定后，車外水面穩(wěn)定在上格柵下方。

圖5為不同時刻發(fā)動機艙內(nèi)（選取冷卻模塊前端面的水體積分數(shù)云圖，上方為冷凝器，下方為中冷器）水位高度。車輛行駛的前4秒，發(fā)動機艙水位很高，水流沖刷了整個冷卻模塊前端;車速穩(wěn)定后，發(fā)動機艙內(nèi)水位在冷凝器中間高度附近，遠低于發(fā)動機進氣口位置，此時不存在發(fā)動機進氣口水侵入風(fēng)險。

圖6為車速穩(wěn)定后發(fā)動機進氣口下方水位高度的實驗與仿真對比，實驗與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了本文仿真模型的可行性和可靠性。

5 應(yīng)用

某車型的發(fā)動機進氣口朝下扣在CRFM 導(dǎo)流板的開孔上，如圖7所示，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)該布置形式會導(dǎo)致大量的水持續(xù)涌入進氣口。優(yōu)化發(fā)動機進氣口水流路徑，在CRFM導(dǎo)流板開孔中間增加格柵并在開孔下方增加擋板，如圖8所示，優(yōu)化后的發(fā)動機進氣口的進水量明顯減少，如圖9所示。

6 結(jié)論

1）在整車開發(fā)前期，可通過整車涉水仿真，評估整車涉水性能，預(yù)測發(fā)動機進氣口水侵入風(fēng)險;

2）通過車輛涉水過程中發(fā)動機艙內(nèi)水位高度的實驗與仿真對標(biāo)，驗證了本文仿真模型的可行性和可靠性;

3）在車型開發(fā)前期，整車涉水仿真分析對發(fā)動機進氣口及其水流路徑設(shè)計具有指導(dǎo)作用，降低工程更改成本，縮短整車開發(fā)周期。

參考文獻：

[1]王東，陳書帆，余王培.計算流體動力學(xué)在乘用車涉水性能開發(fā)的應(yīng)用及發(fā)展[J].上海汽車，2020，（4）：9-15.

[2]ZHENG X， QIAO X， KONG F. Vehicle wading simulation with STAR-CCM+[A]. Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress[C]. Berlin： Springer， 2013. 157-165.

[3]KHAPANE P， GANESHWADE U. Wading simulation-challenges and solutions[C]. SAE Technical Paper 2014-01-0936， 2014.

[4]童亮，余罡，彭政，等.基于VOF模型與動網(wǎng)格技術(shù)的兩相流耦合模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008，30（4）： 525-528.

[5]隋洪濤，李鵬飛，馬世虎，等. 精通CFD動網(wǎng)格工程仿真與案例實戰(zhàn)[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[6]黃勁，余志毅，劉朝勛，等. 基于CFD的兩棲車輛水動力導(dǎo)數(shù)的計算方法[J]. 車輛與動力技術(shù)，2014，30（2）：39-43.