基于雨水侵入分析的乘用车间接视野安全优化设计研究

2018-08-04王伟，彭婧，张涵，林欢

装备制造技术 2018年6期

王伟，彭婧，张涵，林欢

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

雨中高速行车时，由于车速导致的雨滴飞溅和雨刮刮水共同作用，侧窗上的后视镜视野区出现成股水流，驾驶员无法获得良好的间接视野，影响行车安全和用户体验。2014年，泛亚技术中心用拉格朗日多相流仿真分析模型模拟只受重力作用的水流在空调进气口附近流动的情况，并成功使用水与空气的分型面来研究对雨刮电机的水侵入风险[1]。近几年SUV热潮方兴未艾，整车企业已不满足于水污染的静态、准静态分析，2017年英国拉夫伯勒大学与捷豹路虎公司通过气候风洞试验校验了DPM离散相颗粒物模型模拟动态降雨的可行性[2]。然而时至今日，国内外学者仍未能将雨落车身时受惯性力、重力、粘附力、表面张力、风速等共同作用而形成固液气三相耦合贴体流场的瞬态复杂物理场模型用于工程实践。

本文以上汽通用五菱某款SUV车型为研究对象，摸索尝试通过计算流体力学仿真分析实现侧窗间接视野安全优化设计的方法。在对南方暴雨环境和全车流场进行模拟基础上，通过数值仿真计算和试验验证等途径，解决了掣肘乘用车间接视野安全的雨水污染问题，为设计需要提供理论和数据支持。

1 理论基础

分析对象为某款SUV，周围流体介质为空气和水，为多相流分析；雨滴使用离散相多相流模拟，不考虑离散颗粒物空气中的化学反应，因此采用无组分输运的复杂多相流模型。空气在车身周围及A柱附近的流动以湍流为主，故采用湍流模型描述车身附近和A柱后视镜附近的空气流动状况[3]。写成欧拉坐标系下的控制方程如下：

Realizable带旋流修正的k-ε模型的湍动能k的输运方程：

耗散率ε的输运方程：

其中，Gk为由平均的速度梯度引起湍动能产生，Gb为浮力影响的湍流动能产生；YM为可压缩湍流脉动的膨胀对总的耗散率的影响。αk和αε分别为湍动能k和ε耗散率有效的湍流普朗特数的倒数形式。

近壁面的处理影响数值模拟的结果，本文不求解层流底层和混合区[4]，采用半经验公式（增强型壁面函数）来求解层流底层与完全湍流之间的区域。

通过积分拉格朗日坐标系下的颗粒作用力微分方程以求解雨滴飞溅的离散颗粒轨道，颗粒的作用力平衡方程在全局欧拉坐标系下的形式：

通欧拉多相流模型求解液相雨水受雨刮作用冲击导水槽和A柱形成的浪涌情况，雨水在冲击A柱和导水槽时的表面张力：

其中：σij为表面张力系数，ρ为密度，κi为表面曲率，▽αi为液相雨幕体积分数的梯度算子。

再通过欧拉壁面膜模型Euler-wall-film求解液相雨幕绕过A柱之后的侧窗流动情况，将侧窗流动转化为二维壁膜流动计算，上游质量源相耦合雨刮刮水靠近A柱端终止点所刮刷的部分雨水的液相质量。得到侧窗雨幕流动覆盖区域后，与Ramsis软件分析得到的驾驶员后视镜间接视野区[5]相比对，确认雨水侵入（遮挡污染）情况。

2 仿真分析及试验验证

2.1 仿真分析模型

对于主要的欧拉薄壁多相流（Euler-wall-film）计算区域，须要细化A柱、导水槽、外饰接缝、门缝胶条、后视镜三角区等实体模型，以得到较好的表面速度梯度结果。如图1所示。

图1 主副雨刮及A柱后视镜网格细化

建立风驱雨载荷数学模型时，考虑该车的销售地域及应满足全国绝大多数城市雨季雨量峰值月份的平均情况，仿真边界为雨量峰值的极限情况，故此处认为地面附近的Kaimal脉动风速近似等于极限车速，降雨强度采用2015年国家暴雨强度计算方法。

雨滴直径超过6 mm下落的曳力中的空气阻力将超过水滴保持形态的聚力而分裂成较小直径的液滴，天然降雨的直径在0.1～6 mm之间[6]，单位体积不同直径雨滴个数满足高斯正态分布。单位体积空间雨滴颗粒散布散度满足罗森-拉姆勒分布函数，使用连续雨滴直径分布模拟实际暴雨环境中的间断雨滴直径分布使用。而单位空气中的雨滴体积分数小于10%，满足离散相（雨滴）分布在连续相（空气）中的DPM模型使用要求。

雨刮模型为双曲率平面上的扇面运动，将雨刮扫略区域设定为局部运动网格motion shell regions，雨刮动作设为RBM Rotation，η为雨刮最大刮水扫略频率。雨刮刮水形成浪涌绕过A柱和导水槽使用欧拉薄壁液膜模型，雨刮刮水运动近心端与远心端速度渐变的自定义方程文件关键语句如下：

……

DEFINE_PROFILE （fluid_inlet_2_velocity，thread，index）

{

real x[ND_ND];

real y;

face_t f;

begin_f_loop（f，thread）

{

F_CENTROID（x，f，thread）;

y=x[2];

F_PROFILE（f，thread，index）=-3.14*（0.61+（y-1.435）/0.583138）;

}

end_f_loop（f，thread）

}

……

间接视野区划定偏向与关注后视镜视野区上部受雨水侵入情况，故使用尺寸较大的95%SAE男性模型，调整姿态根据SAE J941建立眼椭圆模型，相关方法不在本文赘述，得到左外后视镜视野如2图所示。

图2 S U V后视镜间接视野区示意图

2.2 仿真结果及分析

雨滴直径范围0.1～6 mm通用高斯正态分布，空间分布按照罗森-拉姆勒模型，车速为70 km/h（导水槽性能分析得出小于60 km/h雨水会随着导水槽流向雨刮安装版；大于80 km/h雨膜受空气曳力作用大于重力作用液滴将平行X轴流过车身侧面[7]），地面和数值风洞出入口设为雨滴逃逸表面。得到仿真分析的A柱后视镜三角区附近的液相（雨水）所占的质量分数图如图3.

图3 原始模型仿真和试验结果对比

云图显示了原始模型在该车速下侧窗后视镜间接视野区完全被雨水覆盖。雨刮下1/3，半径小转化的线速度较小；雨刮中部1/3与下部情况类似，但由于雨刮刮刷动作和频率设计使得来自雨刮上部的水流受重力作用向下汇聚于此，同时由于该处有车门密封胶条填平车门导水槽，故出现了流量激增；雨刮上部1/3，由于刮水面积最大，雨水携带量较大，但雨水在被刮刷的同时收到重力作用，沿雨刮片流向雨刮中部，使得刮刷流量小于雨刮中部区域，但此处设计导雨槽较浅，收到A柱扰流影响较小，造成刮刷雨水飞溅，并伴随这大股水流侵入侧窗后视镜间接视野区，对比试验结果，后视镜视野区的侧窗玻璃上出现多条成股水柱覆盖如图3右所示，试验结果与仿真结果基本一致，驾驶员侧后视镜视野区雨水体积分数在22.7%，按照超过20%将连接成水幕计算，水幕覆盖面积为100%，几乎覆盖了整个后视镜间接视野区部分，影响用户感受。

3 结构优化及试验验证

雨刮刮水形成的水幕进行水流迹线分析如下图4，途中深色迹线为流速较快水流，得知该车型雨刮下部近心端水流流速在翻越A柱和导水槽时流速较大，优化设计时需要特别关注。

图4 原模型主雨刮刮刷作用雨滴流线图

针对仿真分析中原始设计方案暴露出来的前挡与A柱之间的导水槽较浅，雨刮刮水在车速作用下翻越导水槽侵入侧窗的问题，曾经尝试采用切断刮水流动路径的方法，即增加A柱导水槽塑料翻边防止被刮起的水幕越过A柱，减少翻越A柱的雨水流量，减小车门导水槽的工作负荷，特别在雨刮下部近心端加高加宽设计以防止携较大加速度的雨水正在此处发生飞溅，被甩脱车体。

导水槽塑料翻边一体成型设计如图5所示，外挡檐平齐A柱及发盖后缘外饰面以减小对风阻和风噪的影响，导水槽塑料翻边深度d的确定使用多目标优化软件进行穷举法优化以期达到满足截挡雨刮刮水的要求，最终优化结果如下图6所示。

图5 优化方案示意图

图6 优化模型仿真及试验结果

如图6左图所示，从仿真优化结果可以看出，侧窗玻璃上液相的体积分数为0，前挡雨水在雨刮的作用下流入导水槽塑料翻边中，在翻边的之水檐作用下被导向雨刮板的排水口，在雨刮下部近心端流速较快出现了部分溢流的现象，但侧窗玻璃和后视镜间接视野区中没有雨刮水侵入污染迹象，能够在该工况下保证驾驶员后视镜间接视野区安全。通过拓扑优化得到了最小的导雨槽翻边设计深度，避免扩大驾驶员A柱遮挡视野范围。参考中村康提出的降雨时汽车间接视野试验测试方法[8]，制定封闭道路水喷淋试验，车速70 kmph，水量暴雨100 mmph，试验结果如上右图所示，侧窗视野区雨水体积分数几乎为零，侧窗雨水侵入问题得到解决，用户体验得到提高。后视镜三角区前部有部分过水痕迹但都止于侧门导雨槽处。