汽車涉水時輪輻結(jié)構(gòu)對車表水相分布的影響

胡興軍, 姚宏義, 郭 鵬, 楊翰博, 楊 博

(1.汽車仿真與控制國家重點實驗室(吉林大學)，長春130022；2.吉林大學 汽車工程學院，長春130022；3.中國第一汽車集團公司 技術(shù)中心,長春130011)

汽車涉水時輪輻結(jié)構(gòu)對車表水相分布的影響

胡興軍1, 姚宏義2, 郭 鵬2, 楊翰博3, 楊 博1

(1.汽車仿真與控制國家重點實驗室(吉林大學)，長春130022；2.吉林大學 汽車工程學院，長春130022；3.中國第一汽車集團公司 技術(shù)中心,長春130011)

針對汽車涉水時車身表面的水污染問題，將傳統(tǒng)的汽車空氣動力學知識和多相流理論相結(jié)合，運用圖像處理技術(shù)給出車身表面水膜分布情況. 通過對車輪輻板進行改型，建立不同開孔數(shù)目和開孔面積的車輪輻板模型，分析對比不同開孔數(shù)目和開孔面積對水膜分布情況的影響. 試驗結(jié)果表明，4種不同開孔數(shù)的輻板中，T7的涉水性能最優(yōu)越，水膜覆蓋率較原始值降低了20.67%. 車輪輻板開孔有助于提高車輛的涉水性能，開孔數(shù)目越少車身表面的水相附著面積也越小. 車輪輻板開孔數(shù)目相同時，車表水相附著面積隨著開孔面積的增大而增大.

汽車空氣動力學；計算流體力學；多相流理論；輻板；汽車涉水

雨天行車時，車輪濺起的水花不僅會加劇車身和底部的污染，而且在高速行駛中還可能會弄臟前風窗和側(cè)窗玻璃，造成駕駛員的視野變差以及影響汽車外后視鏡的使用[1],同時還會影響汽車關鍵總成或者零部件的性能甚至產(chǎn)生腐蝕[2]. 因此,研究汽車涉水時水相在車身側(cè)面上的污染區(qū)域分布具有重要的意義.

國內(nèi)外許多學者都對汽車水污染進行過深入的研究. 2011年，Hagemeier和Hartmann等[3]德國學者從試驗與數(shù)值仿真兩個角度對車身表面污染研究現(xiàn)狀進行了闡述，提出了基于氣象信息在風洞中真實地模擬降雨過程和使用熒光與紫外線相結(jié)合的光學測量技術(shù)來進行水相特性的分析是未來車身表面污染試驗的趨勢，指出如何精確地捕獲液滴的復雜流動、水相的分離和液滴的破裂是數(shù)值仿真研究中的難點. 2014年，捷豹路虎公司的Gaylard和Pitmany以及EXA公司的Jilesen等[4]學者使用CFD仿真軟件PowerFlow對路虎某款SUV的后部污染進行了數(shù)值仿真研究，通過Lagrangian粒子示蹤法和水膜模型得到了液滴的流動以及表面水相的分布. 并指出后輪旋轉(zhuǎn)對于汽車后部污染的影響較大而前輪旋轉(zhuǎn)的影響相對較小，并通過風洞試驗驗證了仿真結(jié)果的準確性. 2015年，領英摩托公司的Ray和Jawahar[5]結(jié)合計算流體力學和固體力學方法對積水路面上行駛時車輪濺水沖擊對于后輪擋泥板的影響進行了研究，分析得到了積水厚度、濺水角度和車輪寬度等因素對于擋泥板耐久性的影響規(guī)律. 以上學者對于濺水過程中液滴的形成和運動機理做了一定的研究,但缺少對汽車涉水時影響車身水相分布因素的研究.

本文應用空氣動力學知識和多相流理論，重點討論汽車低速駛過積水路面時輪胎輻板結(jié)構(gòu)對汽車濺水的影響，并對水相在車身表面上的分布情況予以分析.

1 幾何模型

數(shù)值仿真采用汽車空氣動力學研究中公認的MIRA標準模型，并在標準模型的基礎上進行了改型，如圖1所示，在標準方背式米拉模型基礎上建出了模型的輪腔結(jié)構(gòu)，輪腔的直徑為750 mm(車輪直徑為610 mm)，將車輪倒圓，倒圓半徑30 mm[6].

圖1 MIRA模型尺寸

為了探究輪輻形狀、開孔數(shù)目和開孔面積[7]對車身表面水相分布的影響和作用機理，建立了不同開孔數(shù)目和開孔面積的車輪幾何模型. 為了真實有效地模擬輪胎與地面接觸處的變形，以及改善車輪與計算域地板接觸處的網(wǎng)格質(zhì)量，對車輪與地板相切部分進行了幾何處理，增加了一個20 mm的凸臺結(jié)構(gòu)作為過渡[8]. 仿真中的車輪模型和參數(shù)如圖2和表1所示：

圖2 車輪幾何模型

輻板模型幾何特征仿真分析目的T0T7T8T9車輪輻板孔數(shù)為0車輪輻板孔數(shù)為7車輪輻板孔數(shù)為8車輪輻板孔數(shù)為9研究車輪開孔數(shù)目對車身表面污染分布的影響T8T8sT8l車輪輻板孔數(shù)為8開孔面積為T8的0．8倍開孔面積為T8的1．2倍研究開孔面積對車身表面污染分布的影響

2 湍流與多相流模型

2.1 湍流模型

本文采用適合外流場計算的Realizable k-ε模型，該模型在典型的兩方程k-ε模型基礎上對正壓力進行某種數(shù)學約束，將湍動黏度系數(shù)Cμ和應變率聯(lián)系起來[9]，保證流動符合湍流的物理定律. 在Realizablek-ε模型中，k和ε的輸運方程[10-11]為

其中，

2.2 多相流理論及雙流體模型

在本文研究的計算域中存在空氣相和液體相，屬于氣-液兩相流計算. 基于這種考慮，雙流體模型的方程中包括各個相的質(zhì)量方程、動量方程以及能量方程，同時還包括每相界面上的熱量傳輸方程、質(zhì)量傳輸方程以及界面應力方程、物性方程等補充方程. 每一相的控制方程組如下[12-13]：

連續(xù)方程為

動量方程為

能量方程為

式中：ρk為各相的密度,uk為各相速度向量, pk為各相壓力標量，I為單位張量，T為剪切力張量，gk為重力加速度向量，ek為熱力學標量.

3 數(shù)值計算與仿真

3.1 計算域及網(wǎng)格策略

在進行數(shù)值仿真時，將計算域設置成長度為10倍車長，寬度為9倍車寬，高度為6倍車高，入口距汽車前端3倍的車長，出口距車輛后端6倍的車長[14].

進行網(wǎng)格劃分時使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在汽車及計算域表面生成三角形面網(wǎng)格，為了準確地模擬邊界層內(nèi)的流動，在車身表面法向拉伸出4層棱柱形邊界層(見圖3)，最后采用Trimmer網(wǎng)格生成器生成體網(wǎng)格[15-16]. 為了準確地獲得車身表面的流動和水相的分布以及節(jié)省計算資源，采用局部區(qū)域網(wǎng)格加密的方法，對車身表面等重點區(qū)域進行網(wǎng)格加密.

圖3 計算網(wǎng)格示意

3.2 數(shù)值仿真邊界條件

由于模擬的是積水路面，需要仿真車輪在有水路面下的旋轉(zhuǎn)工況，建立了4個子運動參考系，將車輪設置成轉(zhuǎn)動壁面，車輪的旋轉(zhuǎn)角速度設為ω=27.32rad/s，同時將入口處分為兩部分：Inlet-air和Inlet-water. 當汽車在積水路面上行駛時不會有太高的行駛速度，因此仿真車速設置為30km/h，同時將水相入口的水相厚度設置為100mm. 為了真實地模擬汽車的運動，將地面設置為移動壁面，同時為了消除計算域邊界對于計算的影響，將計算域其他邊界設置為對稱邊界.

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

在本文研究中,運用圖像處理軟件分別計算水相和車身側(cè)面總的像素數(shù)[17]，并用比值Rw來衡量水相附著區(qū)域面積的大小:

Rw=Sw/Ss.

式中:Sw為水相在車身表面附著的總像素數(shù),Ss為車身側(cè)面總像素數(shù). 表2列出了各種工況下的水相附著面積Rw.

表2 水相附著區(qū)域面積處理結(jié)果

圖4為2.0 s時刻的車身側(cè)面水相分布，色標的顏色由藍色到紅色的變化代表了水相體積分數(shù)由0到1的變化. 藍色代表代表無水相分布，紅色代表水相體積分數(shù)最大. 通過與Basic車型的水相體積分數(shù)圖對比發(fā)現(xiàn)，開孔輻板車型的水相附著面積比無開孔的Basic車型的水相附著面積要小，同時Basic車型靠近前輪后下方的車身側(cè)表面出現(xiàn)了一條狹長的水相分布. 對比T7、T8、T9車型的水相分布圖和表2中的像素比數(shù)據(jù)可知，車身側(cè)面的水相分布隨車輪輻板開孔數(shù)目發(fā)生變化，開孔越少，車身表面水相體積分數(shù)越小. 其中T7模型的涉水性能最好，具有最小的水相附著面積，水相附著面積約為0.37%，較原始車型相比下降了20.67%.

圖5為車輪橫向截面的速度矢量圖，在橫向截面靠近車輪附近區(qū)域存在一個沿逆時針流動的渦，這個渦結(jié)構(gòu)的存在促使此處的氣流流向車身表面. 在這個向車身表面流動氣流的作用下，由車輪旋轉(zhuǎn)帶起的水滴具有了向車身表面附著的速度分量，因此增加了液滴在車身表面附著的機率.

(a) Basic無輻板結(jié)構(gòu)車型

(b)T7輻板車型

(c)T8輻板車型

(d) T9輻板車型

圖4 不同輪輻模型汽車車身側(cè)面水相分布

Fig.4 Water phase distribution on vehicle body side with different wheel model

圖5 車輪橫向截面速度失量圖

圖6為Basic和T7 車型車身側(cè)面流線及水相體積分數(shù)圖. 結(jié)合車身側(cè)面流動與水相分布情況分析可得液滴的運動軌跡，車輪運動濺起的液滴離開車輪表面后，在車輪附近與車身側(cè)面氣流的作用下，具有了向車身后部運動的趨勢. 液滴在向車身后部運動的過程中，一旦液滴的運動到達車身表面就會造成液滴在車身表面的附著. 根據(jù)圖6可知，水相在車身表面的附著與液滴的運動軌跡是一致的.

(a) Basic車型

(b) T7車型

與此同時，輪輻結(jié)構(gòu)的改變也造成了車輪底部流動的改變(見圖7).

圖7 不同模型輪胎流線圖

由圖7可知,在無開孔的Basic車型的前后輪后部均出現(xiàn)了一個向上流動的渦，氣流向上流動后在車身側(cè)面被向下拉長，在這一過程中未發(fā)生破裂. T7車型未出現(xiàn)向上流動的渦結(jié)構(gòu)，但相比Basic車型，T7車型的渦流位置較低，同時在車輪輻孔的作用下該渦結(jié)構(gòu)被拖拉得很長，而此時水相在車身表面的附著也相對較小. 隨著輻板開孔數(shù)的增多，T8模型后輪與車身尾部出現(xiàn)了較紊亂的氣流流動，該氣流流動的作用增加了后部車輪處水相的擴散，從而造成了較多的水相附著. 隨著開孔數(shù)目的繼續(xù)增加，T9模型的車輪后部出現(xiàn)了多個渦結(jié)構(gòu)，但是由于渦結(jié)構(gòu)的位置較低同時未出現(xiàn)向后拖拽的現(xiàn)象，因此未造成水相附著的增加. 從表2中的像素比值可知T9模型的車表水相較小，與T7車型接近.

輪腔處的速度卷積圖分析如圖8所示.

(a) Basic

(b)T7

(c)T8

(d)T9模型

由圖8可知,輻板開孔數(shù)在影響車輪底部流動的同時也造成了輪腔內(nèi)部流動的改變. 輻板開孔情況下輪腔附近縱向剖分面上的渦結(jié)構(gòu)有向外擴展的趨勢，結(jié)合圖6中出現(xiàn)的逆時針旋渦結(jié)構(gòu)，分析可知輻板開孔會增加液滴向車身表面運動的趨勢. 在T7模型中能夠明顯地觀察到渦結(jié)構(gòu)有向車身底部運動的趨勢，這一趨勢要強于向外擴散的趨勢，正是這個原因造成了T7模型水相附著率比原始車型小. 結(jié)合圖8和圖7對T7車型進行分析可知，T8車型的大部分渦流具有向車身上部運動的趨勢，這一運動趨勢增加了水相在車身表面的附著，這也是T8車型水相體積分數(shù)大的原因. 而在T9模型中，雖然渦結(jié)構(gòu)也存在向車身上部運動的趨勢，但是只是相對較小的部分，大部分的渦結(jié)構(gòu)的運動趨勢是向下的，這很好地解釋了T9車型的水相附著面積小于T8車型但稍大于T7車型的原因. 最后結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)可知，隨著開孔面積的增加，輪胎后面的流場液越來越紊亂，從而增加了水相在車身表面的附著機率.

5 結(jié) 論

1)本文將傳統(tǒng)空氣動力學理論和多相流算法相結(jié)合，探索出一種適合于研究汽車涉水的數(shù)值仿真方法，并用圖像處理軟件形象具體地對車身側(cè)面水相分布進行捕捉與精確測量，為車身表面水污染的量化提供了新的思路.

2)經(jīng)過仿真發(fā)現(xiàn)，在車身底部車輪附近存在一個逆時針方向流動的的渦結(jié)構(gòu)，該渦結(jié)構(gòu)增加了液滴向車身表面運動的趨勢，從而增加了液滴在車身表面附著的幾率.

3)研究發(fā)現(xiàn)輻板開孔數(shù)目會影響車身表面水相分布，隨著開孔數(shù)的增加,車表水相附著面積較原始車型呈現(xiàn)減小趨勢，其中輻板開孔數(shù)為7時的涉水性能最好，其水相附著面積約占0.37%，較原始車型降低了20.67%.

4)在車輪橫向剖分面處逆時針渦流和輪腔內(nèi)存在的向車身上部運動渦結(jié)構(gòu)的共同作用下，增加了開孔輻板車型水相的附著面積，而向車身下部運動的渦結(jié)構(gòu)會減少水相在車身表面的附著. 當輻板開孔數(shù)目相同時，開孔面積越大,水相的附著面積也越大，即開孔數(shù)目一定時，水相附著面積與開孔面積成正比例關系.

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(編輯 楊 波)

Influence of wheel spokes structure on the distribution of surface water film during the wading of road vehicle

HU Xingjun1, YAO Hongyi2, GUO Peng2, YANG Hanbo3, YANG Bo1

( 1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control(Jilin University),Changchun 130022, China;2.College of Automotive Engineering,Jilin University, Changchun 130022,China;3. FAW Group Corporation R&D Center, Changchun 130011,China)

As for the vehicle surface water pollution problem during the car wading, this paper combined the traditional automotive aerodynamics expertise and multiphase theory to research the water film distribution with the image processing technology. Through modifying the wheel plate, the influence of the number of holes and the opening area on the distribution of water film was analyzed and compared. After the experiment, T7 model had the most perfect wading performance of the four different wheel plate opening holes number in this paper. The water film distribution ratio decreased by 20.67% compared with the original value. We can know that the spoke structure is conductive to improve the wading performance and the less number of spoke has the smaller water phase attachment on the vehicle body surface. When the opening area increase under the same number of wheel plate the water phase attachment area will also increase.

automotive aerodynamics; computational fluid dynamics; multiphase flow theory; wheel plate; vehicle wading

2016-07-28

國家自然科學基金(50805062); 吉林省重大科技支撐計劃(20096005)

胡興軍(1976—)，男，教授，博士生導師

楊 博，yang_bo@jlu.edu.cn

U461.1

A

0367-6234(2017)07-0113-06