汽車側(cè)窗雨水管理的計(jì)算流體力學(xué)分析研究*

白玲 曾昌明 張立玲 謝立穩(wěn) 王利利

（1.北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

主題詞側(cè)窗雨水管理 A柱漫流 計(jì)算流體力學(xué)仿真 風(fēng)洞試驗(yàn)

1 前言

側(cè)窗雨水管理關(guān)注雨天行車時(shí)前風(fēng)窗玻璃表面的水在刮水器作用下越過(guò)A柱，在側(cè)窗形成的水流對(duì)側(cè)窗視野的影響。在早期，側(cè)窗雨水管理性能開(kāi)發(fā)主要依靠試驗(yàn)驗(yàn)證和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。但實(shí)車測(cè)試階段外造型設(shè)計(jì)方案已經(jīng)鎖定，無(wú)法進(jìn)行調(diào)整。因此，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真方法在早期的介入非常必要。

國(guó)外對(duì)側(cè)窗雨水管理的研究較早，Kenneth J.Karbon 等最早利用Star-CD 軟件模擬了汽車前風(fēng)窗液膜溢流到側(cè)窗的現(xiàn)象，但無(wú)法準(zhǔn)確模擬刮水器運(yùn)動(dòng)和液膜從壁面的脫離。Hervé Foucart 等利用Powerlow 和N3S相結(jié)合的方法進(jìn)行了仿真分析和風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證，但由于N3S 處理動(dòng)網(wǎng)格難度較大，無(wú)法模擬刮水器的真實(shí)運(yùn)動(dòng)。此后，Adrian P.Gaylard 和Jonathan Jilesen 等先后在PowerFLOW 軟件中開(kāi)發(fā)了粒子模型、液膜和刮水器運(yùn)動(dòng)模擬模型，計(jì)算了A 柱漫流現(xiàn)象，并在風(fēng)洞中進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，但由于風(fēng)洞入口寬度較小，導(dǎo)致流場(chǎng)穩(wěn)定性差，氣流對(duì)側(cè)窗水流運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生的影響難以評(píng)估。近年，國(guó)內(nèi)開(kāi)始關(guān)注側(cè)窗雨水管理問(wèn)題。廖庚華等針對(duì)轎車側(cè)窗雨污問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，但仿真與試驗(yàn)的邊界條件并不對(duì)應(yīng)，僅進(jìn)行了粗略的現(xiàn)象對(duì)比。

本文旨在通過(guò)CFD 仿真和環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探討CFD 仿真分析在側(cè)窗雨水管理中的作用。通過(guò)CFD瞬態(tài)仿真，分析在刮水器周期性運(yùn)動(dòng)作用下，前風(fēng)窗玻璃水流越過(guò)A 柱后在側(cè)窗的運(yùn)動(dòng)形式和分布情況，并通過(guò)CFD穩(wěn)態(tài)分析方法對(duì)比不同A柱設(shè)計(jì)方案對(duì)A 柱關(guān)鍵區(qū)域的流場(chǎng)影響。通過(guò)實(shí)車在環(huán)境風(fēng)洞中的測(cè)試，驗(yàn)證不同A柱設(shè)計(jì)方案對(duì)側(cè)窗視野區(qū)雨水分布的影響。

2 側(cè)窗雨水管理CFD分析

2.1 CFD瞬態(tài)分析建模

車輛的網(wǎng)格建模利用Hypermesh 進(jìn)行，CFD仿真分析軟件采用Star CCM+14.04。除車輛的3D 數(shù)據(jù)外，仿真建模還需要詳細(xì)的刮水器數(shù)據(jù)，以及刮水器旋轉(zhuǎn)軸位置和最大行程位置。

建立整車模型，在A 柱、側(cè)窗、三角窗周圍，需保留車輛局部的導(dǎo)水槽等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)特征，該區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2～8 mm，車輛其余外表面網(wǎng)格尺寸為8～16 mm，同時(shí)在車體外表面設(shè)置5 層棱柱形邊界層。A 柱周邊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格設(shè)置如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格設(shè)置示意

仿真所用風(fēng)洞尺寸完全按照實(shí)際測(cè)試所用的環(huán)境風(fēng)洞尺寸進(jìn)行設(shè)置。計(jì)算域尺寸如圖2所示，車輛前軸與風(fēng)洞入口距離3.5 m。噴水裝置及其與出風(fēng)口的相對(duì)位置如圖3所示。噴水裝置呈3排矩陣形排列于出風(fēng)口后方，在同一豎直平面上，每排管道分布4個(gè)噴嘴，間距為650 mm，噴水設(shè)備中心離地高度1.49 m，仿真邊界條件如表1所示。

表1 仿真設(shè)置邊界條件

圖2 風(fēng)洞計(jì)算域示意

圖3 噴水裝置示意

Fluid Film模型用于模擬汽車表面的雨水流動(dòng)。該模型假設(shè)：薄膜厚度遠(yuǎn)小于車輛的特征幾何尺寸（曲率半徑），這一假設(shè)對(duì)汽車的大多數(shù)表面區(qū)域有效，但可能在非常尖銳的拐角處（例如后視鏡的后緣處）不適用；薄膜中的液體流動(dòng)為層流，速度為線性；作用于液膜的慣性力和靜力學(xué)效應(yīng)可忽略不計(jì)，且外界氣流速度遠(yuǎn)大于液膜流速。

2.2 動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算方法

2個(gè)刮水器單獨(dú)設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，動(dòng)網(wǎng)格域包含刮片。將刷水器的幾何特征簡(jiǎn)化，只保留雨刮片，但需要保證刮片的長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)狀態(tài)一致，進(jìn)而保證刮水器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與實(shí)際刮片的范圍一致。將刮片簡(jiǎn)化為寬5 mm 的長(zhǎng)條狀，駕駛員側(cè)雨刮片長(zhǎng)度為527 mm，副駕駛員側(cè)雨刮片長(zhǎng)度為340 mm，如圖4所示。

圖4 雨刮刮片簡(jiǎn)化模型

2 個(gè)雨刮片分別包含在2 個(gè)動(dòng)網(wǎng)格域中，駕駛員側(cè)動(dòng)網(wǎng)格域尺寸為580 mm×64 mm×30 mm，副駕駛側(cè)動(dòng)網(wǎng)格域尺寸為380 mm×64 mm×30 mm，動(dòng)網(wǎng)格域與前風(fēng)窗玻璃貼合的面設(shè)置為交界面，與玻璃進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃表面的刮刷作用，如圖5所示。

圖5 刮水器動(dòng)網(wǎng)格域示意

刮水器運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速為60 r/min，通過(guò)傅里葉變換，擬合出雨刮旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度矢量公式為：

式中，為無(wú)量綱系數(shù)，取值范圍為4～5，需要根據(jù)刮水器實(shí)際運(yùn)動(dòng)行程進(jìn)行調(diào)試，本模型經(jīng)過(guò)調(diào)試，取=4.05時(shí)，刮水器最大行程與設(shè)計(jì)狀態(tài)位置一致；為時(shí)間；為雨刮運(yùn)動(dòng)的頻率，本文計(jì)算取頻率1 Hz；為玻璃表面任意一點(diǎn)在以旋轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中的位置向量；為玻璃表面任一點(diǎn)的單位法向量。

駕駛員側(cè)刮水器運(yùn)動(dòng)的速度矢量如圖6所示。

圖6 駕駛員側(cè)雨刮在不同位置的運(yùn)動(dòng)速度

2.3 A柱漫流瞬態(tài)仿真

因仿真耗時(shí)較長(zhǎng)，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)僅為7 s。=0 時(shí)刻，噴嘴開(kāi)始噴水，刮水器開(kāi)始周期性運(yùn)動(dòng)。圖7展示了側(cè)窗水流從開(kāi)始形成到計(jì)算結(jié)束時(shí)刻的變化過(guò)程。=2.5 s時(shí)刻，刮水器第3 次運(yùn)動(dòng)到最大位置時(shí)，側(cè)窗開(kāi)始出現(xiàn)水流。隨后，每次刮水器運(yùn)動(dòng)到最大位置，均有部分水流越過(guò)A 柱到達(dá)側(cè)窗。到達(dá)側(cè)窗的水流在重力作用下向下流，隨后在車身側(cè)面風(fēng)的作用下向車體后上方運(yùn)動(dòng)，在側(cè)窗上形成一條覆蓋范圍基本穩(wěn)定的斜向上的點(diǎn)狀水帶。

圖7 側(cè)窗液膜變化過(guò)程示意

通過(guò)分析刮片運(yùn)動(dòng)到最大位置以及隨后A 柱附近的水流現(xiàn)象，對(duì)A 柱漫流的機(jī)理進(jìn)行分析。如圖8 所示，當(dāng)刮水器正好運(yùn)動(dòng)到最大位置時(shí)（=6.5 s 時(shí)刻），液膜在雨刮作用下被推擠到A柱附近，部分液膜發(fā)生飛濺形成液滴（1 區(qū)所示的粒子），在風(fēng)的作用下運(yùn)動(dòng)到車頂，另外一部分液膜已經(jīng)越過(guò)A 柱與前風(fēng)窗玻璃的臺(tái)階，發(fā)生溢流（2區(qū)所示液膜）；隨后，盡管刮水器開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)（見(jiàn)圖9，=6.65 s 時(shí)刻），但是2 區(qū)已經(jīng)發(fā)生了溢流的液膜在慣性作用下，繼續(xù)向A 柱外側(cè)運(yùn)動(dòng)，到A 柱與側(cè)窗的交界處后，部分液膜在邊緣處受到風(fēng)的剪切作用發(fā)生液膜剝離，形成小液滴在風(fēng)的作用下運(yùn)動(dòng)到后上方脫離車體表面，另外一部分液滴在重力作用下流過(guò)A柱與側(cè)窗的凹槽后繼續(xù)向下流動(dòng)到側(cè)窗，且在向下流動(dòng)的過(guò)程中，液膜逐漸變薄并且分散成小股的水流，這些細(xì)小水流對(duì)風(fēng)的剪切作用敏感性很高，受到風(fēng)的托舉而停止向下流動(dòng)，而是向后上方流動(dòng)，最終在側(cè)窗形成了斜向上的點(diǎn)狀水帶。

圖8 t=6.5 s時(shí)刻液膜

圖9 t=6.65 s時(shí)刻液膜

2.4 A柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化及流場(chǎng)分析

由于涉及的物理現(xiàn)象比較復(fù)雜，A柱漫流現(xiàn)象的瞬態(tài)CFD 仿真所需計(jì)算資源較大。以上述整車計(jì)算為例，320 個(gè)CPU 并行計(jì)算7 s 時(shí)長(zhǎng)需要240 h 左右的時(shí)間，在設(shè)計(jì)前期進(jìn)行多個(gè)案例的對(duì)比分析耗時(shí)太久，計(jì)算模型調(diào)試也較為耗時(shí)。

改善側(cè)窗雨水管理性能，一方面要降低A 柱溢流量，另一方面應(yīng)通過(guò)改善A柱設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化側(cè)窗水流的分布，盡可能降低A柱溢流對(duì)側(cè)窗視野區(qū)的影響。對(duì)于絕大部分車輛，A 柱溢流現(xiàn)象無(wú)法徹底避免，而越過(guò)A 柱的周圍水流的運(yùn)動(dòng)軌跡，除刮水器的推擠作用外，最主要的影響因素是流場(chǎng)。因此，通過(guò)A柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善周邊的流場(chǎng)非常重要。

CFD 穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析計(jì)算方法成熟，計(jì)算效率高，適用于前期大量?jī)?yōu)化方案的分析驗(yàn)證。

A 柱形狀是影響A 柱周邊流場(chǎng)的重要因素。如圖10所示：A柱截面位置①處，若氣流分離引起的負(fù)壓過(guò)大，會(huì)吸附導(dǎo)水槽1 處的水流，使得更多的水流越過(guò)A柱；A柱截面位置②處負(fù)壓過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)水槽2內(nèi)部的水流被負(fù)壓吸出導(dǎo)水槽，然后在風(fēng)力的作用下落在側(cè)窗上。

圖10 A柱截面關(guān)鍵位置分析

本文對(duì)比分析了3種A柱設(shè)計(jì)方案，方案差異在于A柱弧面形狀不同，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化方案示意

對(duì)比3種A柱設(shè)計(jì)方案在A柱位置①和位置②處的負(fù)壓分布，結(jié)果如圖12所示，與原狀態(tài)相比，優(yōu)化方案A柱內(nèi)側(cè)邊緣負(fù)壓明顯減小，且優(yōu)化方案2優(yōu)于優(yōu)化方案1，相應(yīng)地，優(yōu)化方案2負(fù)壓對(duì)水流的吸附作用也明顯減小。而A 柱內(nèi)側(cè)邊緣是被刮水器推擠到此處的大量液膜聚集的位置，如果A 柱內(nèi)側(cè)邊緣負(fù)壓大，會(huì)吸附更多的水越過(guò)A 柱到達(dá)側(cè)窗，如果A 柱內(nèi)側(cè)邊緣負(fù)壓小，水流會(huì)更多地在風(fēng)速作用下沿著A柱內(nèi)側(cè)向車頂流動(dòng)。

圖12 A柱壓力系數(shù)對(duì)比

A柱外側(cè)流線對(duì)比如圖13所示，原狀態(tài)A柱外側(cè)氣流形成范圍較大的縱渦，氣流位置靠下覆蓋了側(cè)窗視野區(qū)較大面積；優(yōu)化方案1 和方案2 的A 柱外側(cè)氣流貼著A 柱外邊緣向上向后流動(dòng)，尤其是優(yōu)化方案2 中A 柱邊緣流線渦流范圍明顯減小，且在視野區(qū)邊緣。

圖13 A柱外側(cè)流線對(duì)比

從上述對(duì)比可以看出，優(yōu)化方案2為上述3個(gè)A柱設(shè)計(jì)方案中的最佳方案。經(jīng)過(guò)A柱形狀優(yōu)化后，三角窗區(qū)域的流場(chǎng)也有所改善。三角窗位于主視野區(qū)的正前方，該區(qū)域周圍流場(chǎng)對(duì)于側(cè)窗雨水管理性能影響也很大。如圖14所示，由于A柱整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，三角窗正前方a處A柱發(fā)生氣流分離的位置和三角窗與側(cè)窗交界處氣流發(fā)生分離的b處的負(fù)壓均明顯減小，也有利于減小這些區(qū)域?qū)χ車鞯奈阶饔?，從而減少到達(dá)側(cè)窗的水流量。

圖14 改善前、后三角窗周邊壓力

3 環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)

環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)采用與仿真相同的邊界條件。取刮水器第7 次運(yùn)動(dòng)到最大位置后回程的時(shí)刻（=6.65 s）進(jìn)行分析，如圖15所示，在A柱內(nèi)側(cè)的1區(qū)，同樣有部分液膜由于刮水器的快速推擠作用發(fā)生飛濺，向后流到車頂，另外一部分被推擠到A 柱的液膜，在圖15 中的2 區(qū)發(fā)生了A柱漫流，漫流流至A柱與側(cè)窗之間的密封條凹槽內(nèi)，沿凹槽向下回流，在3區(qū)再次發(fā)生溢流到達(dá)側(cè)窗，在側(cè)窗上受到風(fēng)的托舉作用形成了斜向上的水帶。

圖15 t=6.65 s時(shí)刻側(cè)窗液膜形態(tài)

通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，仿真能夠模擬A柱附近1區(qū)的飛濺，也能夠預(yù)測(cè)發(fā)生A柱溢流的位置在2區(qū)，但未捕捉到溢流水流在A柱與側(cè)窗之間密封條內(nèi)的回流現(xiàn)象，原因是密封條在車門(mén)關(guān)閉狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仿真建模無(wú)法準(zhǔn)確體現(xiàn)該結(jié)構(gòu)，另外細(xì)小結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜的固、液、氣三相的相互作用機(jī)理本身比較復(fù)雜，影響因素較多，CFD仿真方法也需要進(jìn)一步優(yōu)化。

圖16 所示為2 個(gè)優(yōu)化方案的試驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)與圖15原狀態(tài)測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，方案1和方案2通過(guò)優(yōu)化A 柱結(jié)構(gòu)，不僅能夠減少A 柱溢流量，而且改變了側(cè)窗水流的分布形態(tài)，使得水流對(duì)視野區(qū)的干擾明顯減小，尤其是方案2 中，側(cè)窗水流貼著視野區(qū)邊緣流動(dòng)，對(duì)側(cè)窗視野區(qū)的影響基本可忽略不計(jì)。

圖16 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比圖16 和圖13，可發(fā)現(xiàn)側(cè)窗水流分布情況與A柱邊緣處流線的走勢(shì)一致，說(shuō)明側(cè)窗水流的分布與A柱邊緣處的氣流走向密切相關(guān)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)CFD 仿真分析和試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證相結(jié)合的方法，研究了A 柱漫流現(xiàn)象對(duì)側(cè)窗雨水管理性能的影響，同時(shí)分析和驗(yàn)證了改善該項(xiàng)性能的方法，表明A 柱漫流的CFD瞬態(tài)仿真能夠模擬出A柱漫流的位置，以及側(cè)窗氣流對(duì)水流的影響，CFD穩(wěn)態(tài)分析能夠?qū)柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案引起的流場(chǎng)變化進(jìn)行分析，減少關(guān)鍵區(qū)域的負(fù)壓對(duì)水流的吸附作用，改善側(cè)窗氣流分布，有助于在早期設(shè)計(jì)階段對(duì)側(cè)窗雨水管理性能進(jìn)行控制。