汽車環(huán)境風洞降雨模擬影響因素研究

伊虎城，許翔，牟連嵩，張藝倫，王遠，于鎰隆，徐俊芳

汽車環(huán)境風洞降雨模擬影響因素研究

伊虎城1，許翔2，牟連嵩1，張藝倫1，王遠1，于鎰隆1，徐俊芳1

（1.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300399；2.中汽研（常州）汽車工程研究院有限公司，江蘇 常州 213167）

研究自然界降雨量與汽車環(huán)境風洞模擬降雨量之間的關(guān)系，得到中國氣象條件的雨量設(shè)定經(jīng)驗公式，為汽車環(huán)境風洞模擬降雨量的設(shè)定提供理論依據(jù)。理論分析自然界氣象降雨和汽車環(huán)境風洞模擬降雨的特點和差異，研究影響汽車環(huán)境風洞模擬降雨量的因素。在無風條件下，影響汽車環(huán)境風洞降雨量的因素有氣象降雨量、前擋風玻璃傾角、雨滴直徑和車速等。按照車速將降雨分為汽車停止和汽車行駛2種模式，提出結(jié)合中國氣象條件的汽車環(huán)境風洞模擬降雨量的經(jīng)驗公式。在相同降雨等級下，汽車停止狀態(tài)下的汽車環(huán)境風洞降雨量一般大于車輛行駛狀態(tài)。在氣象降雨量等級為短時中雨時，行駛汽車的雨量設(shè)定值與車速呈指數(shù)增長關(guān)系。

中國氣候；汽車環(huán)境風洞；降雨等級；前擋風玻璃傾角；雨滴直徑；車速

在降雨條件下，汽車前風窗玻璃和側(cè)窗玻璃上的雨水會對駕駛員的視野造成影響，從而影響行車安全[1-2]。統(tǒng)計表明，我國50%的交通事故、70%的特大交通事故均發(fā)生在雨霧等惡劣天氣。因此，提高車輛在雨天駕駛的安全性非常重要[3-4]。

國外對于車輛雨水管理的主要研究方向為A柱溢流，通常使用道路試驗和汽車環(huán)境風洞模擬試驗2種方式驗證[5-6]。國內(nèi)對于該部分研究主要集中在仿真和道路試驗，由于自然界降雨的隨機和不可控性，導致汽車道路試驗受地區(qū)和天氣的制約，從而影響驗證周期。汽車環(huán)境風洞降雨模擬可以通過設(shè)定風速和雨量模擬降雨條件下汽車的行駛工況，為汽車的降雨安全性開發(fā)驗證提供了便利，如何設(shè)定汽車環(huán)境風洞的模擬降雨量，國內(nèi)還沒有相關(guān)經(jīng)驗或案例可以參考[7]。

本文以汽車前風窗玻璃降雨量相等為研究基礎(chǔ)，分析中國氣象降雨參數(shù)，結(jié)合自然氣象降雨和汽車環(huán)境風洞模擬降雨方式的差異性，進而分析出汽車環(huán)境風洞模擬降雨量的影響因素，得到結(jié)合中國氣象條件的汽車環(huán)境風洞模擬降雨量設(shè)定經(jīng)驗公式，為汽車環(huán)境風洞模擬降雨提供理論基礎(chǔ)。

1 氣象降雨分析

1.1 氣象降雨

降雨是指在大氣中冷凝的水汽以不同方式下降到地球表面的天氣現(xiàn)象。雨滴形成的條件（如圖1所示）：地球上的水經(jīng)蒸發(fā)、升華等方式變成水蒸氣，由于水蒸氣密度小于空氣密度而上升，遇到高空冷空氣后迅速凝聚成小水珠。一方面，與空氣中的灰塵等“核”凝結(jié)凝華；另一方面，自身的碰撞繼續(xù)增大，形成雨滴。當云層密度大于空氣密度時，雨滴便成為我們常見的雨水[8]。

圖1 自然界降雨形成過程

1.2 氣象降雨量

降雨量是指某一時段從天空降落到地面未蒸發(fā)、滲透流失的雨在水平面上積累的深度。GB/T 28592—2012《降水量等級》[9]中對降雨量做了明確規(guī)定，可以將降雨量分為：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨，但該標準中是以12 h和24 h的累計降雨量為分類依據(jù)，不能反映短時降雨效果。本文降雨等級的定義參照標準為T/CMSA 0013—2019《短時氣象服務(wù)降雨量等級》[10]，具體內(nèi)容見表1。

表1 短時氣象服務(wù)降雨量等級劃分

Tab.1 Classification of short-term meteorological service rainfall grades mm

由表1可得，該標準規(guī)定了10、30 min和1 h時段的氣象降雨量等級。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，相同降雨量等級下，10 min時段單位時間、單位面積的降雨量最大，30 min次之，1 h最小。降雨類試驗為極限條件測試，本文選擇10 min時段對應(yīng)的降雨等級數(shù)據(jù)。

假設(shè)單位面積收集的降水為（L·min?1·m?2），其與單位面積（1 m2）、收集深度為（mm）和對應(yīng)的時段（min）之間的關(guān)系見式（1）。

將表1中10 min時段氣象降雨量數(shù)據(jù)按照式（1）進行處理，結(jié)果見表2。

表2 10 min降雨量等級劃分

Tab.2 Classification of rainfall grades within 10 min

1.3 雨滴直徑

研究表明[11]，一般情況下，小雨滴（直徑≤2.5 mm）近似為球形，大雨滴（直徑>5.5 mm）為紡錘形[12-14]，如圖2所示。大雨滴在受到空氣阻力作用而呈現(xiàn)扁平形，兩側(cè)微微向上彎曲，大雨滴不穩(wěn)定，極易破碎[15]。

圖2 雨滴形狀

雨滴分布用雨滴累積體積百分曲線來表示，其中累計體積為50%所對應(yīng)的雨滴直徑稱為中數(shù)直徑，用50表示[16-18]，它與平均雨滴直徑的涵義是不同的。通常50越大，表明該降雨越大，反之則該次降雨越小。氣象降雨量與50的關(guān)系見表3[19]。

表3 降雨量和50的關(guān)系

Tab.3 Relationship between rainfall and D50

1.4 雨滴終速

降雨過程中，雨滴受自身重力與空氣浮力的雙重作用，其中空氣的浮力與速度正相關(guān)。假設(shè)降落過程中雨滴大小不發(fā)生變化，當重力大于浮力時，雨滴會持續(xù)加速；當重力與浮力相等時，雨滴達到最終速度，即此時雨滴接近于勻速狀態(tài)。據(jù)有關(guān)研究[20-22]表明，當雨滴達到勻速降落時，極限速度分段公式見式（2）—（4）。

式中：為雨滴直徑，mm；r為雨滴終速，m/s。

2 汽車環(huán)境風洞降雨模擬

2.1 汽車環(huán)境風洞簡介

汽車環(huán)境風洞（如圖3所示）是模擬自然環(huán)境條件的一種高精密設(shè)備，可以模擬的參數(shù)包括溫度、濕度、陽光、輻射、道路負載和雨雪等，主要用于車輛的環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗。汽車環(huán)境風洞結(jié)構(gòu)主要包括：流道、風機、環(huán)境模擬系統(tǒng)、四驅(qū)轉(zhuǎn)轂及控制系統(tǒng)等多個部分[23]。

圖3 汽車環(huán)境風洞結(jié)構(gòu)

2.2 汽車環(huán)境風洞降雨模擬

汽車環(huán)境風洞通過在噴口處安裝的雨架噴水來模擬自然界的降雨（如圖4所示），且汽車環(huán)境風洞噴口的風可以將雨滴加速到一定的初速度。但由于汽車環(huán)境風洞的設(shè)計條件，雨滴只能以從前往后的形式落到前風窗，與自然界雨滴從上而下的降落方式存在差異[24-26]。

圖4 汽車環(huán)境風洞降雨

影響汽車環(huán)境風洞降雨量的因素主要有：氣象降雨量、車速、風速、前擋風玻璃傾角和雨滴直徑（雨滴終速）等。由于氣象降雨中風速的不確定性較大，對結(jié)果的分析帶來較大難度，本文暫不做深入分析。氣象降雨量、雨滴直徑可參考相關(guān)標準，雨滴終速可通過公式計算，前擋風玻璃傾角為汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此，本文主要研究在無風條件下車速與汽車環(huán)境風洞模擬降雨量之間的關(guān)系。

3 車速對汽車環(huán)境風洞模擬降雨影響分析

3.1 汽車靜止

對氣象降雨進行簡化處理，即汽車處于靜止淋雨狀態(tài)，雨滴豎直下落，此時氣象降雨和汽車環(huán)境風洞降雨效果如圖5所示。

圖5 汽車靜止時氣象降雨與汽車環(huán)境風洞降雨

本文研究基礎(chǔ)為2種降雨條件下，單位時間內(nèi)落在前風窗玻璃上的雨量保持一致，如式（5）、（6）所示。

式中：3為單位時間內(nèi)落到前風窗玻璃單位面積上的降雨量，L/(min·m2)；為前風窗玻璃面積，m2；1為氣象降雨條件單位時間內(nèi)單位面積降雨量，L/(min·m2)；1前風窗玻璃在水平方向投影面積，m2；2為汽車環(huán)境風洞單位時間內(nèi)單位面積降雨量，L/(min·m2)；2前風窗玻璃在豎直方向投影面積，m2。

對公式（5）和（6）進行簡化合并處理可得：

已知某款車型前風窗總面積為=1.25 m2，水平投影面積1=1.078 m2，正投影面積2=0.617 m2，則21=0.572 356。前擋風玻璃傾角=29.6°，tan= 0.568 08，tan≈21，類推可以得到以下結(jié)論：

將式（8）代入式（7）可得：

由式（9）可知，當車輛處于靜止狀態(tài)時，汽車環(huán)境風洞模擬降雨量與氣象降雨量和前擋風玻璃的傾角有關(guān)。

3.2 汽車行駛

汽車行駛狀態(tài)時，氣象降雨和汽車環(huán)境風洞降雨效果如圖6所示。

圖6 汽車行駛時氣象降雨與汽車環(huán)境風洞降雨

將汽車相對地面靜止，雨滴增加與車速方向相反大小一致的水平速度（如圖7所示），時間后收集到的前風窗收集的雨量1為：

幾何處理后，可得到各角度之間對應(yīng)關(guān)系，如圖8所示。

圖8 角度對應(yīng)關(guān)系

其中角度對應(yīng)關(guān)系如下：

式中：為車窗玻璃與合速度垂直面夾角；為雨滴合速度與雨滴豎直方向的夾角。

綜合以上公式，可得單位時間內(nèi)氣象降雨落到前風窗玻璃上的雨量：

汽車環(huán)境風洞內(nèi)單位時間內(nèi)落到前風窗上的雨量為：

將公式（12）代入公式（13）可得：

經(jīng)過三角函數(shù)簡化可得：

由圖8可得的值為：

將公式（16）代入（15）可得：

由式（17）可知，當車輛以速度行駛時，汽車環(huán)境風洞雨量的氣象降雨量1、車速、雨滴終速r和前擋風玻璃傾角均有關(guān)。

4 結(jié)果分析

將上述公式及相關(guān)內(nèi)容進行歸納總結(jié)，使用VisualBasic軟件對公式及數(shù)據(jù)進行處理[27]，開發(fā)用于計算汽車環(huán)境風洞模擬降雨量的軟件。在該軟件中輸入氣象降雨量等級、車速、前擋風玻璃傾角和雨滴直徑等參數(shù)，可以計算出在該條件下的汽車環(huán)境風洞需設(shè)定的模擬降雨量。

假定某車型前擋風玻璃傾角為30°，通過該軟件可計算得到汽車環(huán)境風洞模擬降雨量隨車速和氣象降雨量等級的變化，見表4。

由表4可得，當汽車處于靜止狀態(tài)時，氣象降雨與汽車環(huán)境風洞模擬降雨量隨降雨等級的變化曲線如圖9所示。由圖9可得，隨著降雨等級的增加，氣象降雨量與汽車環(huán)境風洞的模擬降雨量均呈上升趨勢，但相比氣象降雨量，汽車環(huán)境風洞模擬降雨量的上升率更大。在短時特大暴雨時，汽車環(huán)境風洞模擬降雨量已經(jīng)達到了120 L/(min·m2)。該狀態(tài)下人員已經(jīng)不適合繼續(xù)待在車內(nèi)，故非必需不建議開展相關(guān)的測試工作。

不同氣象降雨量等級下的汽車環(huán)境風洞模擬降雨量隨車速的變化如圖10所示。由圖10可得，相同降雨等級下，汽車環(huán)境風洞模擬降雨量在車輛靜止時均高于在低速時的雨量設(shè)定。隨著車速的增加，雨量呈上升趨勢，并且隨著降雨等級的增加，降雨量的上升斜率也變大。

為進一步分析降雨量隨車速變化趨勢，選擇短時中雨的氣象降雨等級條件，結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，隨著車速的增加，汽車環(huán)境風洞的模擬降雨量上升趨勢明顯，呈一條較為平滑的曲線。通過擬合求解得到汽車環(huán)境風洞模擬降雨量隨車速變化的關(guān)系，見式（18）。

表4 某車型汽車環(huán)境風洞降雨量設(shè)定參數(shù)

Tab.4 Parameters of CWT rainfall for a certain vehicle model

圖9 v=0時降雨量隨降雨等級的變化曲線

圖10 不同氣象雨量等級隨車速的變化曲線

圖11 短時中雨等級降雨量隨車速的變化曲線

5 結(jié)論

1）在無風條件下，影響汽車環(huán)境風洞降雨量的因素為降雨等級（氣象降雨量）、車速、前擋風玻璃傾角以及雨滴直徑等。

2）按照汽車狀態(tài)將降雨類型分為靜止和運動狀態(tài)。=0時，汽車環(huán)境風洞模擬降雨量隨氣象降雨量和汽車前擋風玻璃傾角變化的經(jīng)驗公式見式（9）；≠0時，汽車環(huán)境風洞降雨量隨氣象降雨量、車速、雨滴直徑和前擋風玻璃傾角變化的經(jīng)驗公式見式（17）。

3）針對某車型進一步分析，=0時，汽車環(huán)境風洞模擬降雨量隨降雨等級增大而增大，在短時特大暴雨時，達到了非常高的120 L/(min·m2)；在同一降雨等級條件下，=0時汽車環(huán)境風洞降雨量明顯高于當≤80 km/h時；≠0，降雨等級為短時中雨時，汽車環(huán)境風洞降雨量隨車速的變化呈指數(shù)關(guān)系。

本文研究主要集中在理論研究，缺乏相應(yīng)的道路和汽車環(huán)境風洞的對比試驗的支撐。為了進一步該理論的有效性，下一步重點工作為道路試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)的采集方法和相關(guān)試驗研究。

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Influence Factors of Rainfall Simulation Based on Climate Wind Tunnel

YI Hu-cheng1, XU Xiang2, MU Lian-song1, ZHANG Yi-lun1, WANG Yuan1, YU Yi-long1, XU Jun-fang1

(1. CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Tianjin 300399, China; 2. CATARC (Changzhou) Automotive Engineering Research Institute Co., Ltd., Jiangsu Changzhou 213167, China)

The work aims to study the relationship between natural rainfall and vehicle climate wind tunnel simulated rainfall, and obtain the empirical formula of rainfall setting in Chinese climate, so as to provide a theoretical basis for the setting of vehicle climate wind tunnel simulated rainfall. The characteristics and differences between natural meteorological rainfall and vehicle climate wind tunnel simulated rainfall were analyzed theoretically, and the factors affecting the vehicle climate wind tunnel simulated rainfall were studied. Under the condition of no wind, the factors affecting the rainfall of vehicle climate wind tunnel included meteorological rainfall, tilt angle of front windshield, raindrop diameter and vehicle speed. According to the vehicle speed, the rainfall was divided into two modes: vehicle stop and driving. An empirical formula for simulating rainfall in vehicle climate wind tunnel combined with Chinese climate was proposed. At the same rainfall grade, the rainfall of vehicle climate wind tunnel during vehicle stop is greater than that during driving. When the meteorological rainfall grade is short-term moderate rain, the rainfall setting value of the driving vehicle increases exponentially with the vehicle speed.

Chinese climate; climate wind tunnel; rainfall grade; front windshield tilt angle; raindrop diameter; vehicle speed

2022-03-08；

2022-04-12

YI Hu-cheng (1991-), Male, Master, Engineer, Research focus: thermal system control strategy technology.

伊虎城, 許翔,牟連嵩, 等. 汽車環(huán)境風洞降雨模擬影響因素研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(2): 132-138.

TJ06

A

1672-9242(2023)02-0132-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.018

2022–03–08；

2022–04–12

天津市科技支撐重點項目（20YFZCGX00580)

Fund：Tianjin Science and Technology Support Key Project (20YFZCGX00580)

伊虎城（1991—），男，碩士，工程師，主要研究方向為熱系統(tǒng)控制策略技術(shù)。

YI Hu-cheng, XU Xiang, MU Lian-song, et al.Influence Factors of Rainfall Simulation Based on Climate Wind Tunnel[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 132-138.

責任編輯：劉世忠