基于車輪飛濺的轎車車身污染模擬及控制

殷碩　陳煥明　王亞倫

摘要： 針對轎車駛過積水路面時存在的車身污染問題，本文建立了轎車空氣動力學仿真模型，利用ANSYS分析了車輪濺水對車身表面的水相污染過程，探討了不同車速下車身污染的規(guī)律，并采取幾種改進措施，探索降低車身水相污染的有效方法。研究結(jié)果表明，車身側(cè)部水相隨著時間逐步向車身后部發(fā)展，水相厚度逐漸增加，覆蓋范圍逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。車輪、輪腔和車輪后部區(qū)域的水相厚度較大;車身底部水相覆蓋區(qū)域隨著時間逐步向車身后部延伸，水相厚度隨著時間逐漸增大，污染較嚴重區(qū)域集中在車底兩側(cè)，底盤尾部區(qū)域受水相污染較為嚴重;隨著車速增加，車身側(cè)部和底盤兩側(cè)區(qū)域的水相覆蓋面積和水相厚度逐漸增大;4種改進模型的方法對車身側(cè)部污染均有一定程度的改善，側(cè)裙對前輪后部區(qū)域的污染控制效果最好，阻風板和擋泥板大大改善了后輪區(qū)域的水相污染。該研究為轎車表面清潔性問題提供了參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)值計算; 汽車外流場; 車輪濺水; 車速; 車身污染

中圖分類號： U461.1; TP273 文獻標識碼： A

基金項目： 山東省高等學校科技計劃資助項目（J18KA048）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，消費者對產(chǎn)品美觀性的需求日益提高，汽車表面清潔性問題在整車設(shè)計研發(fā)過程中扮演著越來越重要的角色。當車輛駛過積水路面時，車輪旋轉(zhuǎn)會卷起路面積水，并沿著輪胎切線方向射出，在復(fù)雜的汽車外流場環(huán)境下，輪胎卷起的水滴顆粒會對汽車外表面造成污染，使車身表面美觀性受到影響。近年來，國內(nèi)外學者對汽車車身污染問題進行了相關(guān)研究。J. Jonathan等人[1]采用完全瞬態(tài)粒子追蹤和液膜模型對SUV車輪噴霧和車身污染進行模擬，考慮了液滴滴落現(xiàn)象和流體粒子間的相互作用，將仿真結(jié)果與風洞實驗結(jié)果進行對比，該仿真方法與風洞實驗結(jié)果較為吻合，可以準確的反映車身污染情況;A. Gaylard等人[2]利用風洞實驗，研究了積水道路上行駛時旋轉(zhuǎn)車輪噴出的水霧對汽車側(cè)玻璃和后玻璃的污染情況，考慮來自輪腔和車身后部液滴的飛濺和滴落現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)飛濺和滴落現(xiàn)象加劇了液滴粒子對車身表面的污染;A. Kabanovs等人[3]利用SpalartAllmaras模型和歐拉拉格朗日方法（discrete phase model，DPM）相結(jié)合的方案，模擬了車輪濺水對車身表面的污染過程，發(fā)現(xiàn)完全非定常仿真方法與風洞實驗的結(jié)果較為吻合;辛俐等人[4-5]采用DPM離散相和歐拉液膜模型相結(jié)合的方法，對方背式MIRA模型的車輪濺水污染問題進行了研究，得到了車輪濺水導(dǎo)致的車身表面污染分布云圖，分析了車身的污染機理，并對車身外形進行改進，一定程度改善了車身污染問題;胡興軍等人[6]對車身部件進行了優(yōu)化，并運用圖像處理技術(shù)，分析了車輛表面水相分布情況，表明外形優(yōu)化后的車體部件對車身水相污染有明顯改善;辛俐等人[7]研究了汽車以較低速度通過積水路面時的車身水相污染問題，發(fā)現(xiàn)改進的車身部件使車身水相污染下降4399%;廖志濤等人[8-10]利用數(shù)值仿真方法，分析了微型客車的后背污染情況，提出了減少車身污染的具體措施;楊博[11]使用STARCCM+研究了不同網(wǎng)格方案對汽車外流場的影響，發(fā)現(xiàn)車輪附近網(wǎng)格質(zhì)量較差，車身尾部流場對氣動升力和尾部污染有明顯影響。此外，在車身水相污染領(lǐng)域也有其他相關(guān)研究，辛俐等人[12-13]采用格子玻爾茲曼方法，研究了汽車側(cè)窗水相分布情況，發(fā)現(xiàn)模型優(yōu)化后水相覆蓋面積下降66.2%;蘭巍等人[14]對汽車后視鏡尾部流場進行研究，結(jié)果表明，鏡柱和鏡罩的設(shè)計會對后視鏡水相污染造成明顯影響;李修城[15]研究了汽車空氣尾流對尾氣污染的影響，發(fā)現(xiàn)提高車速會加速碳煙顆粒成核和生長。綜上所述，汽車車身表面污染的研究尚不全面，尤其是在不同車速下轎車車輪濺水導(dǎo)致車身污染的相關(guān)研究較少?；诖?，本文建立了轎車空氣動力學仿真計算模型，采用ANSYS Fluent，分析了車輪濺水對車身表面的水相污染過程，探討了不同車速下車身污染規(guī)律，并給出了降低車身水相污染的有效方法。該研究為車身表面的清潔性問題提供參考。

1數(shù)學模型

1.1連續(xù)相模型

汽車行駛過程中的馬赫數(shù)較小，其流場屬于湍流。本文采用的湍流模型為Realizable kε雙方程模型，相比標準kε模型，該模型為湍流粘性增加了公式，由漩渦脈動的均方差推導(dǎo)得到渦耗散率的輸運方程，從而該模型更能反映湍流的實際物理特性，模擬較為復(fù)雜的流動問題，可以精確預(yù)測平板、圓柱射流、旋轉(zhuǎn)、分離和回流等較大壓力梯度的流場問題[17]。該模型的輸運方程為[18-20]

1.2離散相模型

車輛駛過積水路面時，車輪卷起積水發(fā)生液滴碰撞、分離、合并和飛濺等現(xiàn)象，在輪胎附近區(qū)域產(chǎn)生水霧，屬于氣液兩相流問題，而水霧在空氣中的占比遠小于10%，因此液相屬于離散相，從而可以利用DPM模型對該多相流問題進行求解。DPM模型的力平衡方程為[21]

1.3液膜模型

為了使車輪濺水仿真實驗的計算結(jié)果更加真實，并且可以更直觀的呈現(xiàn)，本文采用歐拉壁面液膜模型（eulerian wall film，EWF）對車身水相污染進行捕捉。該模型質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程分別為[23]

2仿真計算模型

2.1幾何模型及計算區(qū)域

本文以標準MIRA階梯背轎車模型為研究對象，多年來該模型多年來被廣泛應(yīng)用于汽車流體力學研究，其風洞試驗數(shù)據(jù)等研究成果也較為豐富，階梯背式MIRA汽車幾何模型如圖1所示。利用PROE在原模型的基礎(chǔ)上進行改進，劃分出輪腔和完整的車輪特征，其中車輪直徑為610 mm，輪腔直徑為770 mm，其余尺寸保持不變。

汽車流場計算域劃分如圖2所示。設(shè)定L為車長，W為車寬，H為車高，則該計算域長度為15 L，寬度為10 W，高度為6 H?？諝庀鄰挠嬎阌蚯岸嗣媪飨蚝蠖嗣妫岸嗣孢吔鐥l件設(shè)置為速度入口，速度為車速，

后端面邊界條件設(shè)置為壓力出口;車身表面邊界條件設(shè)置為固定壁面;車輪邊界條件設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，當車速為80 km/h時，轉(zhuǎn)動角速度為7286 rad/s;底面邊界條件設(shè)置為移動壁面，速度為車速，方向指向計算域后端面;左側(cè)面、右側(cè)面和頂面均設(shè)置為對稱邊界。離散相射流源設(shè)置車輪射流源和輪腔射流源，即從輪胎表面和輪腔釋放離散相水霧顆粒，水霧顆粒的直徑設(shè)置為0.165 mm[2];車身表面和車輪的離散相邊界條件設(shè)置為trap捕集邊

界;計算域入口、出口的離散相邊界條件設(shè)置為escape逃逸邊界;底面離散相邊界條件設(shè)置為trap捕集邊界。歐拉液膜的初始液膜厚度設(shè)為0，液體表面張力設(shè)為0.072 N/m，先計算穩(wěn)態(tài)流場，流場穩(wěn)定后再加入DPM粒子進行瞬態(tài)的兩相流計算，瞬態(tài)計算的時間步長為0.002 s。

2.2網(wǎng)格劃分

車輪和輪腔的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且該區(qū)域需要進行離散相的追蹤、液膜捕集與分離等復(fù)雜計算，因此本文對計算域進行多面體網(wǎng)格劃分，汽車流場計算網(wǎng)格劃分如圖3所示。多面體網(wǎng)格的相鄰網(wǎng)格單元較多，可以模擬較為復(fù)雜的流動問題，在保證計算精度的前提下，可大幅減少網(wǎng)格數(shù)量，從而大幅提高計算速度，是一種計算效率較高的網(wǎng)格類型。計算域體網(wǎng)格尺寸設(shè)為1 024 mm，并設(shè)置3個體網(wǎng)格加密區(qū)，由外到內(nèi)加密區(qū)網(wǎng)格尺寸分別為512，256和128 mm，車身面網(wǎng)格尺寸為32 mm，車輪和輪腔面網(wǎng)格尺寸為16 mm，車身和車輪外表面設(shè)置6層邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm，總網(wǎng)格數(shù)為220萬。

2.3單個車輪濺水液滴軌跡追蹤及驗證

為驗證仿真方法的可行性，本文進行了單個車輪濺水仿真實驗，車輪直徑為610 mm，車輪寬度為180 mm。單個車輪流場計算域如圖4所示，設(shè)定車輪直徑為D，則計算域長度為15 D，寬度為6 D，高度為6 D。空氣由計算域前端面流向后端面，DPM水霧粒子從輪胎面上釋放，連續(xù)相、離散相和歐拉液膜模型的邊界條件與整車仿真設(shè)置相同。采用多面體網(wǎng)格對計算域進行網(wǎng)格劃分，單個車輪流場網(wǎng)格劃分如圖5所示，共設(shè)置3個加密區(qū)，車輪面網(wǎng)格尺寸為16 mm，總網(wǎng)格數(shù)64萬。

FKFS公司利用Powerflow對汽車單車輪濺水進行實驗和仿真，得到了水相的運動軌跡分布情況，本文也做了類似的單車輪濺水模擬，并且和FKFS公司的仿真結(jié)果進行對比[5]，車輪外流場計算區(qū)域如圖6所示。由圖6可以看出，本文數(shù)值仿真結(jié)果與FKFS公司的實驗和仿真結(jié)果表現(xiàn)出較高的一致性，離散相水霧的運動軌跡和分布情況相似，從而驗證了本文數(shù)值仿真方法具有可行性。

3仿真計算結(jié)果及分析

3.1車輪濺水污染過程分析

車輛在積水路面上行駛時，高速旋轉(zhuǎn)的輪胎會卷起路面的積水。在車速為80 km/h工況下，車輪和輪腔DPM水霧粒子軌跡分布如圖7所示。由圖7可以看出，輪胎射出的水霧粒子具有一定初速度，方向大致沿著輪胎胎面切線方向，粒子一部分隨著空氣流場向車身后部運動，另一部分與輪腔發(fā)生碰撞，發(fā)生液滴的附著、破裂、合并及反彈等復(fù)雜變化，反彈或新合并的液滴隨著空氣流場流向車身后部，從而一部分液滴在復(fù)雜的流場作用下運動到車身表面，造成水相污染。另外，在相同條件下，輪腔射流源反彈進入車身側(cè)部流場的液滴粒子比車輪射流源直接流向車身側(cè)部的多，說明輪腔附近空間內(nèi)發(fā)生的復(fù)雜液滴變化可能是車輪濺水污染的主要來源。

車身側(cè)部受污染程度影響車輛的清潔度和美觀性。在車速為80 km/h工況下，車身側(cè)部的水相厚度隨時間變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可以看出，在0.1 s時，車輪、輪腔以及車身側(cè)面下部有水相積累;在0.2 s時，車身側(cè)面積水區(qū)域向上延伸，后輪輪腔積累的液相流向車身側(cè)部;0.8 s時，車身側(cè)部水相厚度和覆蓋范圍基本不變。車身側(cè)部水相隨著時間延長逐步向車身后部變化，水相厚度逐漸增加，覆蓋范圍逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。車輪、輪腔和車輪后部區(qū)域的水相厚度較大。

由于雨水有一定的弱酸性，車身底部的積水會吸收大量的路面塵土，會加劇底盤的腐蝕，影響用車安全。在車速為80 km/h工況下，車身底部的水相厚度隨時間變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可以看出，車身底部水相覆蓋區(qū)域隨著時間延長逐步向車身后部延伸，水相厚度逐漸增大，污染較嚴重區(qū)域集中在車底兩側(cè)（即輪腔后部區(qū)域），底盤尾部區(qū)域受水相污染較為嚴重。

在車速為80 km/h工況下，車身外流場速度分布流線圖和矢量圖如圖10所示。由圖10可以看出，受車身外形的影響，車身兩側(cè)區(qū)域的空氣流速較高，輪腔內(nèi)形成渦流，空氣流速較低，渦流會加劇輪腔內(nèi)的液滴粒子與輪腔壁面的碰撞、破碎、反彈等復(fù)雜變化，并使得一部分液滴游離到輪腔以外，從而加劇車身污染。

通過分析輪腔內(nèi)復(fù)雜流場活動，更好的對車輪濺水污染機理進行研究，得出在速度為80 km/h工況下，輪腔截面壓力分布和表面切應(yīng)力分布情況。輪腔截面壓力分布和表面切應(yīng)力分布如圖11所示。

由圖11可以看出，前、后輪腔附近區(qū)域多為負壓區(qū)，前輪腔壓力水平比后輪腔低;前輪腔前端外側(cè)區(qū)域的壓力最低，可達-200 Pa，并且該區(qū)域的表面切應(yīng)力方向指向外側(cè)，故前輪腔部分液滴由該區(qū)域運動到車身外流場，對車身側(cè)面造成一定污染;前輪腔大部分區(qū)域表面切應(yīng)力方向指向車身后部，前輪腔后沿處的表面切應(yīng)力值最大，輪腔表面積聚的液滴流向輪腔后部，最終流出輪腔，對底盤兩側(cè)區(qū)域造成污染;后輪腔前部外側(cè)區(qū)域有小范圍正壓區(qū)，后輪腔前后兩端均有低于-150 Pa的負壓區(qū)，并且后輪腔后部表面切應(yīng)力方向向外，從而液滴粒子由輪腔前后兩端向外運動，對尾箱蓋側(cè)面造成水相污染;后輪腔表面切應(yīng)力方向總體指向車身后部，故后輪腔內(nèi)積累的液滴向后部運動，最終對底盤尾部區(qū)域造成水相污染。

3.2不同車速下車輪濺水污染分布規(guī)律

為研究不同車速下車輪濺水對車身的污染情況，給出車速為40，60，80 km/h工況下，1.0 s時的車身水相厚度，不同車速下的水相污染分布如圖12所示。由圖12可以看出，隨著車速增大，車身側(cè)部和底盤兩側(cè)區(qū)域的水相覆蓋面積逐漸增大，水相厚度逐漸增大，原因是車輪轉(zhuǎn)速增大，單位時間內(nèi)輪胎卷起的路面積水量增大，并且隨著車速增大，空氣流動速度加快，輪腔內(nèi)液滴的復(fù)雜變化更加劇烈，逃逸出的液滴數(shù)量增多，因而車身污染更加嚴重。

3.3改進模型對車輪濺水污染的影響

為了探究改進車身部件對車輪濺水污染的影響，對MIRA階梯背汽車模型進行簡單改進，分別增加阻風板、擋泥板、輪腔護板和側(cè)裙。改進的幾何模型如圖13所示。

在車速為80 km/h工況下，1.0 s時研究4種改進模型的車輪濺水污染分布情況，改進模型的車輪濺水污染分布情況如圖14所示。由圖14可以看出，4種改進模型的方法對車身側(cè)部污染均有一定程度的改善;阻風板對前、后輪后部區(qū)域的污染控制效果較好;擋泥板大大改善了后輪的水相污染，但對前輪后部區(qū)域的污染控制效果不明顯;輪腔護板減少了前輪后部的污染狀況，但對后輪后部區(qū)域的污染控制效果不明顯;側(cè)裙對前輪后部區(qū)域的污染控制效果最好，對后輪后部區(qū)域的污染情況也有明顯改善。

4結(jié)束語

本文采用DPM模型和EWF模型相結(jié)合的非穩(wěn)態(tài)求解方法，分析了車輪濺水對車身表面的水相污染過程，探討了不同車速下車身污染的規(guī)律，并采用幾種改進方法降低車身水相污染。結(jié)果表明，車身側(cè)部水相隨著時間逐步向車身后部變化，水相厚度逐漸增加，覆蓋范圍逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定;車輪、輪腔和車輪后部區(qū)域的水相厚度較大;車身底部水相覆蓋區(qū)域隨著時間逐步向車身后部延伸，水相厚度隨著時間逐漸增大，污染較嚴重區(qū)域集中在車底兩側(cè)，底盤尾部區(qū)域受水相污染較為嚴重;隨著車速增大，車身側(cè)部和底盤兩側(cè)區(qū)域的水相覆蓋面積逐漸增大，水相厚度逐漸增大;四種改進模型的方法對車身側(cè)部污染均有一定程度的改善，其中側(cè)裙對前輪后部區(qū)域的污染控制效果最好，阻風板和擋泥板大大改善了后輪區(qū)域的水相污染。本研究為汽車表面清潔性問題提供了重要參考。

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作者簡介： 殷碩（1997），男，碩士研究生，主要研究方向為車輛動態(tài)仿真與控制。

通信作者： 陳煥明（1978），男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為車輛動態(tài)仿真與控制。Email： qdchm@qdu.edu.cn

Simulation and Control of Car Body Pollution Based on Wheel Splash

YIN Shuo， CHEN Huanming， WANG Yalun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract： ?For the research of cars passed through water road car pollution， car air dynamics simulation model is presented in this paper， by using ANSYS to analyze the wheel splashing water on body surface water pollution and process. Pollution laws of car body under different speed is discussed， and several improvement measures are taken in order to explore the effective ways to reduce water pollution， and car body. The results show that the water phase at the side of the car body gradually develops towards the rear of the car body with time， the water phase thickness increases gradually， the coverage area increases gradually， and finally tends to be stable. The water phase thickness of the wheel， wheel cavity and rear area of the wheel is larger. The area covered by water phase at the bottom of the car body gradually extends to the rear of the car body over time， and the thickness of water phase gradually increases over time. The areas with serious pollution are concentrated on both sides of the car bottom， and the rear area of the chassis is seriously polluted by water phase. With the increase of vehicle speed， the area covered by water phase and the thickness of water phase increase gradually. Four methods to improve the model can improve the pollution of the side parts of the car body to a certain extent， and the side skirt has the best pollution control effect on the rear area of the front wheel， while the air block and fender greatly improve the water phase pollution in the rear wheel area. The research provides a reference for the surface cleanliness of cars.

Key words： numerical calculation; automobile outflows; wheel roll water; speed; body pollution