基于SPH方法的純電動車涉水仿真研究

李 賽，左輝輝，康 寧，閆小俊

（1.上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201805；2.李斯特技術中心（上海）有限公司，上海 201805）

隨著社會的發(fā)展，能源和環(huán)境問題成為制約汽車行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的兩大難題，所以發(fā)展純電動汽車和汽車電氣化逐漸成為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟的重要途徑[1]。當前，國際上的各大知名廠商也紛紛將純電動車的開發(fā)和銷售作為其主要戰(zhàn)略目標[2]。在如此激烈的競爭中，如何進一步縮短項目開發(fā)周期并降低成本將成為企業(yè)制勝的關鍵。先進的虛擬仿真技術具有成本低、設計自由度高以及靈活性強等特點，并且能夠?qū)㈨椖亢笃诘拈_發(fā)任務提前至項目前期來完成，已經(jīng)成為項目開發(fā)中不可或缺的關鍵技術[3]。

整車水管理主要是研究汽車在淋雨、涉水、雨霧、洗車等工況下的防水性能，是整車開發(fā)中的關鍵性能指標，同時也是消費者最能感知的性能之一，所以水管理在整車開發(fā)中的地位也越來越重要，特別是純電動車和混合動力車[4]。因為車輛在涉水和雨淋工況下，高壓動力電池以及相應的電氣附件很容易發(fā)生損壞和短路，從而導致嚴重的后果[5]。

涉水是整車水管理中一個重要子項，已經(jīng)引起了國內(nèi)外學者的濃厚興趣[6-10]。然而，在前人的數(shù)值仿真研究中，主要使用的還是VOF（Volume of Fluid）法。這種數(shù)值方法采用的是歐拉框架，要求對計算域進行網(wǎng)格劃分。由于整車零部件較多，所以網(wǎng)格劃分工作量很大，并且對于涉水來說，車的運動規(guī)律也較為復雜，包含車下坡、上坡以及車輪轉(zhuǎn)動等，VOF方法較難定義如此復雜的運動邊界，往往需要進行一些簡化[11]。近年來，一種新的CFD方法——光滑粒子流體力學（Soothed Particle Hydrodynamics，SPH）得到快速發(fā)展，并逐漸應用到流動仿真中[12]。SPH方法采用的是拉格朗日框架，不需要劃分網(wǎng)格，從而避免了VOF方法的網(wǎng)格細化、重構(gòu)以及扭曲等問題，并且可靈活定義邊界的運動規(guī)律，使涉水仿真更簡單且接近實際。然而，關于SPH方法的涉水仿真研究還比較少。

綜上所述，本文將采用SPH方法，建立某純電動車的涉水仿真模型，并結(jié)合涉水試驗，研究車輛在涉水過程中車身內(nèi)外水的流動和分布規(guī)律，重點評估電驅(qū)系統(tǒng)減速器呼吸孔和空調(diào)系統(tǒng)進風口的涉水性能，對純電動車水管理的優(yōu)化設計具有重要的指導意義。

1 試驗系統(tǒng)及方法

車輛涉水試驗在某涉水試驗基地完成，如圖1所示。其中，涉水池的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 某涉水試驗基地

圖2 涉水池的結(jié)構(gòu)

實車狀態(tài)為項目前期某樣車。試驗工況為淺水涉水，車速為30±3 km/h，水深為150±10 mm。試驗時，通過攝像機記錄關鍵零部件（電驅(qū)系統(tǒng)減速器和空調(diào)系統(tǒng)進風口等）周圍水的流動和分布情況。

1.1 仿真工具介紹

1.1.1 SPH方法介紹

SPH方法最初應用于天體物理學領域，用來模擬非對稱物理現(xiàn)象[12]。由于其穩(wěn)定性和預測性較好，所以逐漸擴展應用到流體力學領域，在解決具有自由表面以及大變形等流動問題方面具有顯著優(yōu)勢[11]。SPH法基于拉格朗日框架，是一種無網(wǎng)格方法，該方法的基本思想是將連續(xù)的流體或固體用相互作用的質(zhì)點組來描述，各質(zhì)點上承載了各種物理量，包括質(zhì)量、壓力、速度等，通過求解質(zhì)點組的動力學（Navier-Stokes）方程，以及跟蹤每個質(zhì)點的運動軌道，即可求得整個流場的分布和發(fā)展。

1.1.2 基于SPH方法的仿真工具介紹

本文采用基于SPH方法開發(fā)的PreonLab軟件進行后續(xù)的仿真研究。

AVL PreonLab是一款功能強大，無需網(wǎng)格劃分的CFD仿真軟件。在國外，PreonLab已被全球眾多知名汽車廠商所使用，如寶馬、特斯拉、克萊斯勒、沃爾沃、菲亞特、雷諾等。同時，PreonLab由于其操作簡單、計算結(jié)果準確等特點也受到了越來越多中國用戶的歡迎和認可，如中國重汽、華晨寶馬、舍弗勒中國、吉利商用車、上汽紅巖等。

PreonLab軟件的特點是不需要生成網(wǎng)格，避免了網(wǎng)格細化、重構(gòu)以及扭曲等問題；計算速度快，對計算資源要求低；具有非常強大的結(jié)果后處理器，能夠真實地反映流體運動過程中的變化規(guī)律以及流場的分布情況。如圖3所示，PreonLab的應用領域也非常多樣，包括：車輛涉水、雨水管理、變速器/曲軸箱的潤滑、電機冷卻、油箱的灌注/晃動和飛濺、雪場景仿真等，適用于解決各種復雜結(jié)構(gòu)中具有自由表面以及大變形的流動問題。

圖3 AVL PreonLab的應用領域

1.2 仿真模型的建立

因為本文采用AVL PreonLab進行仿真研究，所以仿真流程將基于PreonLab軟件的工作流程進行敘述。

1.2.1 幾何模型準備

PreonLab無需網(wǎng)格劃分，所以極大地降低了模型前處理的工作量，僅需將整車和涉水池的CAD數(shù)模直接導出PreonLab支持的表面網(wǎng)格文件即可，如STL格式的文件。其中，整車模型和涉水池模型與試驗保持一致，如圖4所示，整車模型包含完整的子系統(tǒng)，包括車身、底盤、動力電池系統(tǒng)、電驅(qū)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、車輪等。

值得注意的是，PreonLab采用單層粒子對幾何表面進行離散，能夠很好地捕捉幾何模型的詳細結(jié)構(gòu)。圖5為空調(diào)進氣格柵處幾何結(jié)構(gòu)和離散結(jié)構(gòu)的對比，其中粒子直徑為5 mm。

圖4 整車模型和涉水池模型

圖5 空調(diào)進氣格柵處幾何結(jié)構(gòu)（左）和離散結(jié)構(gòu)（右）的對比

1.2.2 運動規(guī)律定義

在實際涉水過程中，水池保持靜止，車輛緊貼水池底部行駛，包含下坡、平地和上坡。試驗時車輛由駕駛員操控，在整個過程中車速會保持在一定的范圍內(nèi)波動。

仿真時，PreonLab支持定義整車和車輪真實的瞬態(tài)運動規(guī)律（平動和轉(zhuǎn)動）。由于試驗時未采集瞬態(tài)車速信息，所以仿真按試驗平均車速32 km/h進行后續(xù)研究，共計花費約3.4 s的時間通過涉水池。

1.2.3 液體初始化及求解器設置

仿真時，在涉水池中初始化150 mm深的水。流體物性及求解器的設置，見表1。其中，PreonLab采用隱式算法求解，允許設置較大的時間步長，進一步提高計算效率。

表1 流體物性及求解器設置

根據(jù)AVL在車輛涉水方面的仿真研究成果[11]，采用粒子直徑5 mm進行仿真研究。在保證仿真精度的前提下，可通過限制有效計算域的方法來進一步提高計算效率。有效計算域長度的選取，請參見2.1小節(jié)的內(nèi)容。

為了方便對仿真結(jié)果的監(jiān)測和輸出，PreonLab集成了很多傳感器，可直接輸出包括液體自由表面高度場、速度場、流量、濕壁面積、濕壁時間以及液體運動跡線等仿真結(jié)果，用于對當前設計進行分析和評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 有效計算域長度

涉水初始，車頭遠端的水處于靜止，為了提高仿真計算效率，可以先暫時使這部分水不參與計算，當水波傳到該區(qū)域時再使其參與計算。為了保證仿真準確性，有必要對有效計算域的長度進行研究。

2.1.1 車前計算域長度

仿真車速為32 km/h，車前計算域長度（車頭與計算域邊界的距離）分別為：1.0 m、1.6 m、2.6 m、3.6 m。仿真時間為1.1s，此時車已完全進入涉水池的水平段。

圖6 不同車前計算域長度下液體自由表面高度

圖7 不同車前計算域長度下液體速度場

圖6和圖7分別為不同車前計算域長度下液體自由表面高度和速度場的分布結(jié)果。由圖6可知，由于車速較快，水波的傳播距離較短，僅在車前形成一道水波，車身兩側(cè)濺起的大量水花主要來自車輪的作用。所有仿真結(jié)果中，車身兩側(cè)濺起的水花高度和車前波的形態(tài)基本保持一致，只有車前少許飛濺的液滴由于計算域長度的原因?qū)е陆Y(jié)果有區(qū)別。由圖7可知，不同計算域長度下的水速度場差別很小，肉眼幾乎看不出明顯區(qū)別。

圖8為不同車前計算域長度下減速器濕壁面積占比的統(tǒng)計結(jié)果（因為涉密，文中所有圖表均未注明坐標值），左邊坐標為瞬時濕壁面積占比，右邊坐標為累計濕壁面積占比。由圖可知，各長度下瞬時濕壁面積占比曲線基本重合；總體上累計濕壁面積占比的偏差也不大。其中，與3.6 m的累計濕壁面積占比結(jié)果相比，1.1 s時刻，1.0 m、1.6 m、2.6 m的偏差分別為-2.3%、-1.2%、1.1%。

圖8 不同車前計算域長度下減速器濕壁面積占比

總之，不同車前計算域長度下車前波的宏觀形態(tài)和分布基本相同，主要是因為仿真工況車速較高，車前波的傳播距離相對較短，仿真選取的車前計算域長度大于波的傳播距離。為了節(jié)約計算時間成本，通過綜合分析，取車前計算域長度2.6 m進行后續(xù)仿真研究。

2.1.2 車后計算域長度

仿真車速為32 km/h，車前計算域長度為2.6 m，車后計算域長度分別為：1.0 m、2.0 m、5.0 m。仿真時間為1.6 s，此時車處于涉水池水平段的1/3位置。

圖9為不同車后計算域長度下液體的自由表面高度分布。由圖可知，車后計算域長度對車前波形態(tài)的影響很小。其中，速度場分布也基本相同，由于篇幅限制，不再展示。

圖9 不同車后計算域長度下液體自由表面高度

圖10為不同車后計算域長度下減速器濕壁面積占比的統(tǒng)計結(jié)果，各曲線幾乎完全重合，總體偏差很小，在1%以內(nèi)。

圖10 不同車后計算域長度下減速器濕壁面積占比

總之，車后計算域長度對車前波的形態(tài)以及關鍵分析部件的仿真結(jié)果影響不大，為了節(jié)約時間成本，取車后計算域長度2.0 m進行后續(xù)仿真研究。

2.2 電驅(qū)系統(tǒng)減速器呼吸孔涉水性能

仿真工況與試驗工況保持一致，車前、后計算域長度分別為2.6 m和2.0 m。仿真時間3.4 s，包含整個涉水過程。其中，粒子數(shù)約5 000萬個，仿真花費1天14小時（32核CPU）。

2.2.1 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

圖11為減速器呼吸孔浸水仿真與試驗的對比。由圖可知，仿真與試驗有很好的一致性，均觀察到減速器呼吸孔被水浸濕的現(xiàn)象，且仿真和試驗中水的流通路徑完全相同：水由車身底部（無下護板）涌入機艙，然后撞擊防火墻，并反彈至呼吸孔位置。

圖11 減速器呼吸孔浸水仿真與試驗對比

2.2.2 減速器呼吸孔浸水分析

由于試驗測得的視頻數(shù)據(jù)有限，下面將基于仿真結(jié)果進行分析。

圖12為3.4 s時刻減速器的濕壁時間云圖。由圖可知，在整個涉水過程中，減速器側(cè)基本上一直被水浸濕。其中，呼吸孔被水浸的總時間為1.7 s，占有效涉水時間（從車輪開始接觸水面到車駛出涉水池，2.8 s）的60.7%。

圖12 3.4 s時刻減速器濕壁時間云圖

為了準確地統(tǒng)計呼吸孔位置水的體積，在呼吸孔外圍添加了一個體積傳感器，如圖13紅色框所示。其中，藍色實線為水體積隨時間的統(tǒng)計結(jié)果。實際仿真在0.65 s時，車輪才接觸水面，由圖可知，在0.80 s時刻已經(jīng)有水開始浸濕呼吸孔，在1.45 s時達到約8.4 ml，然后在2.82 s時水體積開始迅速減少。其中以8 ml為閾值，統(tǒng)計大于該閾值的總時間約為1.3 s。

圖13 呼吸孔周圍聚集水的體積

基于上述分析，對減速器呼吸孔進行了優(yōu)化，通過增加防水呼吸帽等設計，使呼吸孔處達到IPX6防水等級，如圖14所示。最終，試驗驗證了此設計能夠確保電驅(qū)潤滑油不進水。

圖14 呼吸孔優(yōu)化方案

2.3 空調(diào)系統(tǒng)進風口涉水性能

仿真工況和設置同2.2小節(jié)。

2.3.1 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的對比

圖15為空調(diào)系統(tǒng)進風口進水仿真與試驗的對比。由圖可知，仿真與試驗結(jié)果相一致，均觀察到空調(diào)系統(tǒng)進風口進水的現(xiàn)象：大量的水從排水孔倒灌進集水槽，進而飛濺到進風口內(nèi)。

圖15 空調(diào)進風口進水仿真與試驗對比

2.3.2 空調(diào)系統(tǒng)進風口進水分析

為了探究排水孔水倒灌的路徑和原因，基于跡線傳感器輸出了濺入進風口水的跡線，如圖16所示。由圖可知，涉水時，大量的水在車輪的作用下涌向輪罩，并沿著輪罩向上流動，從輪罩的缺口（因安裝懸架而設計）處進入機艙，由于此時流速仍然較高，最終從排水孔倒灌入集水槽，從而進入空調(diào)進風口。

圖16 飛濺入進風口水的跡線

由于排水孔和進風口的形狀不是很規(guī)則，為了準確統(tǒng)計流經(jīng)該處的水流量，基于PreonLab可定義任意截面形狀流量傳感器的功能，分別測量了流經(jīng)排水孔和進風口的水流量和體積，如圖17所示。由左圖排水孔的統(tǒng)計結(jié)果可知，經(jīng)過0.81 s，水開始大量從排水孔倒灌入集水槽，此時車前半部分已進入涉水池的水平段，然后一直保持很高的流量水平，直到2.50 s時刻流量才迅速降低，此時車前輪開始上坡。整個涉水過程，累計從排水孔倒灌的水體積約為1.4 L。由右圖進風口的統(tǒng)計結(jié)果可知，經(jīng)過0.95 s，水開始大量濺入進風口，然后在整個涉水過程中都有水濺入，并且分別在入水階段和出水階段出現(xiàn)流量波峰。入水階段出現(xiàn)波峰主要是因為此階段從排水孔倒灌的水流量較大，相應地濺入進風口的流量也越大。出水階段，雖然此時排水孔不再有大量水倒灌，但是此時集水槽中已積聚了大量的水。當車駛出水面后，車身底部受力減小，車身在重力和懸架模型的作用下開始下降，由于慣性，集水槽中積聚的水仍保持之前的狀態(tài)，從而導致部分水重新濺入進風口，形成流量波峰。整個涉水過程，累計濺入進風口的水體積約為0.1 L，約占排水孔水量的7.2%。

圖17 流經(jīng)排水孔和進風口的水流量和體積

基于上述分析，可通過改變排水孔位置或增加遮擋等方案，來避免該現(xiàn)象發(fā)生。后續(xù)，在排水孔處增加擋板，并進行了仿真驗證，如圖18所示。由于進風口進水主要發(fā)生在車入水階段，所以仿真時間設置為1.5 s，其它參數(shù)設置保持不變。

圖18 排水孔增加擋板仿真方案

圖19為排水孔和進風口的水流量和體積與原設計的仿真結(jié)果對比。由左圖排水孔結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后進入排水孔的流量變化不大，累計水量降低很少。但是，從進風口結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后進入進風口的流量和累計水量均降低很多，其中1.5 s時刻，累計水量降低了約51.9%。新增擋板雖然沒能減少進入排水孔的流量，但是卻改變了進入排水孔后水的速度和方向，從而使進入進風口的水量大幅減少。后續(xù)，沿著此方向繼續(xù)進行優(yōu)化，最終通過設計橡膠單向閥結(jié)構(gòu)，如圖20所示，完全解決了進風口進水問題，并經(jīng)過了試驗驗證。

圖19 增加擋板后流經(jīng)排水孔和進風口的水流量和體積與原設計的對比

圖20 橡膠單向閥結(jié)構(gòu)及功能

3 結(jié)論

基于SPH方法，建立了某純電動車的涉水仿真模型，并結(jié)合涉水試驗，研究了車輛在涉水過程中車身內(nèi)外水的流動和分布規(guī)律，重點分析了電驅(qū)系統(tǒng)減速器呼吸孔和空調(diào)系統(tǒng)進風口的涉水性能，主要結(jié)論如下：

（1）在高速涉水工況下，車前波傳播距離相對較短，可以通過限制有效計算域的方法來提高計算效率。經(jīng)研究，在車速32 km/h下，車前、后計算域長度分別取2.6 m和2.0 m，可在保證仿真精度的同時，大幅提高計算效率。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，電驅(qū)系統(tǒng)減速器呼吸孔浸水嚴重，浸水總時間為1.7 s，占整個有效涉水時間的60.7%，其中呼吸孔周圍水量大于8 mL的總時間約為1.3 s。最終通過增加呼吸孔防水等級（IPX6），通過了試驗驗證。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，空調(diào)系統(tǒng)進風口進水較多，主要進水路徑為：大量水在車輪的作用下從輪罩缺口進入機艙，并從排水孔倒灌入集水槽，從而進入空調(diào)進風口；整個涉水過程，累計從排水孔倒灌的水體積約1.4 L，其中有約7.2%的水進入進風口。最終通過設計橡膠單向閥結(jié)構(gòu)，確保了空調(diào)進風口不會進水，并通過了試驗驗證。

（4）驗證了AVL PreonLab仿真軟件的功能，證明它能夠高效地支持車輛水管理的優(yōu)化設計。說完成本文一個涉水工況的研究僅花費2～3天，包括前處理、計算和結(jié)果后處理，從而大幅縮短了項目開發(fā)周期并降低了成本。