汽车淋雨仿真研究

郑 鑫，苏东海，齐 凯，郭祥麟，王隆宇

（1.沈阳工业大学，沈阳 110870；2.华晨汽车工程研究院，沈阳 110141）

汽车淋雨试验是一种人工环境试验方法，用于测试车辆的防雨密封性能，模拟汽车在使用条件下遇到自然降雨或滴水环境因素后的影响。对淋雨试验方法的研究和应用已经相对成熟，但缺点是必须有实际的测试车辆后才能进行淋雨试验，在车型设计前期并没有规避设计缺陷[1]。随着计算机技术广泛应用到汽车设计领域，大大缩短了产品的设计周期，提高了产品的质量和水平。

CAD/CAE/CAM技术的普遍应用为产品的设计开发提供了前期设计的指导手段[2]。前期设计过程中，主要通过CAD模型的建立，CAE/CAM软件的求解分析，不断的结构优化使汽车产品性能达标。STAR-CCM+是新一代的CFD软件，具有易学易用、集成技术、开放性、自动化、大规模等优点。本研究采用此软件进行汽车淋雨仿真分析。

本研究首次通过流体软件仿真分析的方法来模拟整车淋雨，测试整车表面的压力分布情况，为设计密封条的结构和材质提供了有利手段。其他研究者都是通过试验方法介绍整车的淋雨，并没有在前期车型开发设计过程中进行考察和预防，导致后期试验失败后大量的工程更改，既浪费开发成本，又影响了整车的开发周期。

1 淋雨仿真的理论导论

1.1 湍流模型

Realizablek-ε模型，该模型在典型k-ε模型的基础上对正压力进行数学修正来改善模型的性能。

Realizablek-ε模型可以精确地预测流体传播，对旋转、有大反压力梯度的边界层、分离、回流等现象有更好的预测结果[3-4]。

此外，采用两层边界层方法配合k-ε模型，在边界层内层对k-ε模型进行修正，计算更准确。尺度化壁面函数假设壁面和粘性子层的边界是一致的，确保流体单元总是位于粘性子层之上，可避免由于近壁面网格加密导致的不连续性。

1.2 两相流动

两相流动中，把物质分为连续介质和离散介质。气体和液体属于连续介质，称为连续相或流体相。本研究采用水和空气这两种不相容的介质，所以使用VOF模型，该模型能够较好地反映多相流之间的界面情况。在单元中，如果第q相流动的容积比率极为αq，那么可能出现以下3种情况：（1）αq=0时，第q相流体在单元中是空的。（2）αq=1 时，第q相流体在单元中是充满的。（3）0＜αq＜1时，单元中包含了第q相流体和另一相或其它多相流体的界面。

2 仿真分析

2.1 模型建立

采用汽车初步造型面（Concept A Surface，CAS），在Hypermesh或ANSA中划分表面网格，生成一个封闭的车身外部表面，保存为.nas格式；导入STAR-CCM+，长度单位为mm，使用全模型进行计算；生成流体计算域，域基本尺寸为：车前2倍车长，车后4倍车长，宽度3倍车宽，高3倍车高。加密区域设置为整车加密区域分内外4个加密区域：车外加密区域1（车前2倍车长，车后4倍车长，宽度2.5倍车宽，高2.5倍车高，基本尺寸为160 mm）；车外加密区域2（车前1倍车长，车后2倍车长，宽度1.5倍车宽，高1.5倍车高，基本尺寸为80 mm）；车外加密区域3（车前0.5倍车长，车后1倍车长，宽度0.5倍车宽，高0.5倍车高，基本尺寸为60 mm）；车头和底盘加密区域选取能包括车头和底盘的尺寸即可，基本尺寸为40 mm。计算域如图1所示[5-6]。

图1 计算域

2.2 物理模型及边界条件

此仿真分析要模拟淋雨的整个过程，所以采用瞬态分析，多相流VOF模型（包含水和空气两种物质），考虑由于水的重力会影响打击在车身表面的压力值，所以增加重力模型。

通过计算得到淋雨喷口的雨量和喷口水速度来设置雨水的进口边界条件。雨水进口的体积分数比为1∶0；采用压力出口，相对压力为0；计算的最大物理时间为20 s，考察整车的压力分布、雨水分布等。

3 结果分析与评价

整车淋雨分析只针对整车顶部的淋雨工况。整车表面的淋雨程度和位置随时间变化，如图2所示。雨水自上而下冲向整车，车顶部为迎风面，几乎全部被水覆盖（红色区域代表雨水全部覆盖）；由于侧面存在斜度，所以受雨水冲刷的程度略小；后视镜为凸出件，受其结构特征影响，后视镜附近的雨水覆盖较多。如图3所示，在整车淋雨时长为10 s时，车身上存在不同程度的水附着。整车表面积水位置，门密封、顶棚密封、后视镜结构密封和车窗密封成为淋雨仿真的主要考察点。后期需要着重考察这些地方的密封条密封性能。

图2 整车淋雨过程

图3 t =10 s时整车淋雨示意图

为了清晰地观察整车积水情况，需要对整车表面的体积分数进行进一步分析，车体表面雨水体积分数分布，如图4～5所示，分别从整车的平视图和顶视图进行观察。通过仿真的雨水体积分析云图，发现后视镜、侧车窗上沿、门把手、行李架顶端、前风挡顶部、后车窗顶沿两侧位置存在明显的积水，这些位置的密封性能需要着重考察。

图4 车体表面雨水体积分数分布图（正侧视图）

图5 车体表面雨水体积分数分布图（顶视图）

根据图4和图5，仿真分析确定淋雨主要观察的位置区域后，在其相邻位置附近设置监测点，记录其压力波动，绘制压力变化曲线图。通过压力变化曲线图，寻找到此处受到的最大雨水打击力值，为前期的密封条设计提供力值参考。前车窗顶端密封条位置测点的压力变化情况如图6所示，可以观察到雨水在1 s后打击到密封条上所受到的最大水冲击压力为80 N。此值为评估此处密封条的仿真参考值。

从后视镜壳体表面测点的压力变化曲线（图7）可知，后视镜壳体所受最大的冲击压力为750 N，并保持平均550 N的冲击压力水平。这是由于后视镜结构凸出，表面受到的冲击压力较大。

图6 前车窗顶端密封条位置测点的压力变化曲线

图7 后视镜壳体表面测点的压力变化曲线

4 结论

根据车辆淋雨的仿真分析结果，可以得到以下结论：

（1）可以得到整车的压力、雨水分布云图，进而评估出整车所受雨水冲击的主要位置，这些位置的密封条设计需要特别关注。

（2）可以得到观测点的压力变化曲线，为设计密封条的结构和选材提供数值基础。

（3）在整车开发前期，可以通过仿真分析方法考察整车淋雨性能。

不足之处在于为了降低计算成本，选取某位置的监测点较少。在实际项目中，建议在同一个密封条的多处位置选取若干个监测点进行压力监测，确保由于造型特征，不能较为准确地分析出此处密封条所受到的最大击打压力。没有进行淋雨试验测试，并进行仿真与试验的对比，后期需要安排测试，进行仿真模型修正。