汽車(chē)淋雨仿真研究

鄭 鑫，蘇東海，齊 凱，郭祥麟，王隆宇

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，沈陽(yáng) 110870；2.華晨汽車(chē)工程研究院，沈陽(yáng) 110141）

汽車(chē)淋雨試驗(yàn)是一種人工環(huán)境試驗(yàn)方法，用于測(cè)試車(chē)輛的防雨密封性能，模擬汽車(chē)在使用條件下遇到自然降雨或滴水環(huán)境因素后的影響。對(duì)淋雨試驗(yàn)方法的研究和應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，但缺點(diǎn)是必須有實(shí)際的測(cè)試車(chē)輛后才能進(jìn)行淋雨試驗(yàn)，在車(chē)型設(shè)計(jì)前期并沒(méi)有規(guī)避設(shè)計(jì)缺陷[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用到汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大大縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和水平。

CAD/CAE/CAM技術(shù)的普遍應(yīng)用為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了前期設(shè)計(jì)的指導(dǎo)手段[2]。前期設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要通過(guò)CAD模型的建立，CAE/CAM軟件的求解分析，不斷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化使汽車(chē)產(chǎn)品性能達(dá)標(biāo)。STAR-CCM+是新一代的CFD軟件，具有易學(xué)易用、集成技術(shù)、開(kāi)放性、自動(dòng)化、大規(guī)模等優(yōu)點(diǎn)。本研究采用此軟件進(jìn)行汽車(chē)淋雨仿真分析。

本研究首次通過(guò)流體軟件仿真分析的方法來(lái)模擬整車(chē)淋雨，測(cè)試整車(chē)表面的壓力分布情況，為設(shè)計(jì)密封條的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)提供了有利手段。其他研究者都是通過(guò)試驗(yàn)方法介紹整車(chē)的淋雨，并沒(méi)有在前期車(chē)型開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行考察和預(yù)防，導(dǎo)致后期試驗(yàn)失敗后大量的工程更改，既浪費(fèi)開(kāi)發(fā)成本，又影響了整車(chē)的開(kāi)發(fā)周期。

1 淋雨仿真的理論導(dǎo)論

1.1 湍流模型

Realizablek-ε模型，該模型在典型k-ε模型的基礎(chǔ)上對(duì)正壓力進(jìn)行數(shù)學(xué)修正來(lái)改善模型的性能。

Realizablek-ε模型可以精確地預(yù)測(cè)流體傳播，對(duì)旋轉(zhuǎn)、有大反壓力梯度的邊界層、分離、回流等現(xiàn)象有更好的預(yù)測(cè)結(jié)果[3-4]。

此外，采用兩層邊界層方法配合k-ε模型，在邊界層內(nèi)層對(duì)k-ε模型進(jìn)行修正，計(jì)算更準(zhǔn)確。尺度化壁面函數(shù)假設(shè)壁面和粘性子層的邊界是一致的，確保流體單元總是位于粘性子層之上，可避免由于近壁面網(wǎng)格加密導(dǎo)致的不連續(xù)性。

1.2 兩相流動(dòng)

兩相流動(dòng)中，把物質(zhì)分為連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)。氣體和液體屬于連續(xù)介質(zhì)，稱(chēng)為連續(xù)相或流體相。本研究采用水和空氣這兩種不相容的介質(zhì)，所以使用VOF模型，該模型能夠較好地反映多相流之間的界面情況。在單元中，如果第q相流動(dòng)的容積比率極為αq，那么可能出現(xiàn)以下3種情況：（1）αq=0時(shí)，第q相流體在單元中是空的。（2）αq=1 時(shí)，第q相流體在單元中是充滿(mǎn)的。（3）0＜αq＜1時(shí)，單元中包含了第q相流體和另一相或其它多相流體的界面。

2 仿真分析

2.1 模型建立

采用汽車(chē)初步造型面（Concept A Surface，CAS），在Hypermesh或ANSA中劃分表面網(wǎng)格，生成一個(gè)封閉的車(chē)身外部表面，保存為.nas格式；導(dǎo)入STAR-CCM+，長(zhǎng)度單位為mm，使用全模型進(jìn)行計(jì)算；生成流體計(jì)算域，域基本尺寸為：車(chē)前2倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后4倍車(chē)長(zhǎng)，寬度3倍車(chē)寬，高3倍車(chē)高。加密區(qū)域設(shè)置為整車(chē)加密區(qū)域分內(nèi)外4個(gè)加密區(qū)域：車(chē)外加密區(qū)域1（車(chē)前2倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后4倍車(chē)長(zhǎng)，寬度2.5倍車(chē)寬，高2.5倍車(chē)高，基本尺寸為160 mm）；車(chē)外加密區(qū)域2（車(chē)前1倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后2倍車(chē)長(zhǎng)，寬度1.5倍車(chē)寬，高1.5倍車(chē)高，基本尺寸為80 mm）；車(chē)外加密區(qū)域3（車(chē)前0.5倍車(chē)長(zhǎng)，車(chē)后1倍車(chē)長(zhǎng)，寬度0.5倍車(chē)寬，高0.5倍車(chē)高，基本尺寸為60 mm）；車(chē)頭和底盤(pán)加密區(qū)域選取能包括車(chē)頭和底盤(pán)的尺寸即可，基本尺寸為40 mm。計(jì)算域如圖1所示[5-6]。

圖1 計(jì)算域

2.2 物理模型及邊界條件

此仿真分析要模擬淋雨的整個(gè)過(guò)程，所以采用瞬態(tài)分析，多相流VOF模型（包含水和空氣兩種物質(zhì)），考慮由于水的重力會(huì)影響打擊在車(chē)身表面的壓力值，所以增加重力模型。

通過(guò)計(jì)算得到淋雨噴口的雨量和噴口水速度來(lái)設(shè)置雨水的進(jìn)口邊界條件。雨水進(jìn)口的體積分?jǐn)?shù)比為1∶0；采用壓力出口，相對(duì)壓力為0；計(jì)算的最大物理時(shí)間為20 s，考察整車(chē)的壓力分布、雨水分布等。

3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

整車(chē)淋雨分析只針對(duì)整車(chē)頂部的淋雨工況。整車(chē)表面的淋雨程度和位置隨時(shí)間變化，如圖2所示。雨水自上而下沖向整車(chē)，車(chē)頂部為迎風(fēng)面，幾乎全部被水覆蓋（紅色區(qū)域代表雨水全部覆蓋）；由于側(cè)面存在斜度，所以受雨水沖刷的程度略??；后視鏡為凸出件，受其結(jié)構(gòu)特征影響，后視鏡附近的雨水覆蓋較多。如圖3所示，在整車(chē)淋雨時(shí)長(zhǎng)為10 s時(shí)，車(chē)身上存在不同程度的水附著。整車(chē)表面積水位置，門(mén)密封、頂棚密封、后視鏡結(jié)構(gòu)密封和車(chē)窗密封成為淋雨仿真的主要考察點(diǎn)。后期需要著重考察這些地方的密封條密封性能。

圖2 整車(chē)淋雨過(guò)程

圖3 t =10 s時(shí)整車(chē)淋雨示意圖

為了清晰地觀察整車(chē)積水情況，需要對(duì)整車(chē)表面的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，車(chē)體表面雨水體積分?jǐn)?shù)分布，如圖4～5所示，分別從整車(chē)的平視圖和頂視圖進(jìn)行觀察。通過(guò)仿真的雨水體積分析云圖，發(fā)現(xiàn)后視鏡、側(cè)車(chē)窗上沿、門(mén)把手、行李架頂端、前風(fēng)擋頂部、后車(chē)窗頂沿兩側(cè)位置存在明顯的積水，這些位置的密封性能需要著重考察。

圖4 車(chē)體表面雨水體積分?jǐn)?shù)分布圖（正側(cè)視圖）

圖5 車(chē)體表面雨水體積分?jǐn)?shù)分布圖（頂視圖）

根據(jù)圖4和圖5，仿真分析確定淋雨主要觀察的位置區(qū)域后，在其相鄰位置附近設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄其壓力波動(dòng)，繪制壓力變化曲線(xiàn)圖。通過(guò)壓力變化曲線(xiàn)圖，尋找到此處受到的最大雨水打擊力值，為前期的密封條設(shè)計(jì)提供力值參考。前車(chē)窗頂端密封條位置測(cè)點(diǎn)的壓力變化情況如圖6所示，可以觀察到雨水在1 s后打擊到密封條上所受到的最大水沖擊壓力為80 N。此值為評(píng)估此處密封條的仿真參考值。

從后視鏡殼體表面測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線(xiàn)（圖7）可知，后視鏡殼體所受最大的沖擊壓力為750 N，并保持平均550 N的沖擊壓力水平。這是由于后視鏡結(jié)構(gòu)凸出，表面受到的沖擊壓力較大。

圖6 前車(chē)窗頂端密封條位置測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線(xiàn)

圖7 后視鏡殼體表面測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

根據(jù)車(chē)輛淋雨的仿真分析結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

（1）可以得到整車(chē)的壓力、雨水分布云圖，進(jìn)而評(píng)估出整車(chē)所受雨水沖擊的主要位置，這些位置的密封條設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注。

（2）可以得到觀測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線(xiàn)，為設(shè)計(jì)密封條的結(jié)構(gòu)和選材提供數(shù)值基礎(chǔ)。

（3）在整車(chē)開(kāi)發(fā)前期，可以通過(guò)仿真分析方法考察整車(chē)淋雨性能。

不足之處在于為了降低計(jì)算成本，選取某位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)較少。在實(shí)際項(xiàng)目中，建議在同一個(gè)密封條的多處位置選取若干個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)，確保由于造型特征，不能較為準(zhǔn)確地分析出此處密封條所受到的最大擊打壓力。沒(méi)有進(jìn)行淋雨試驗(yàn)測(cè)試，并進(jìn)行仿真與試驗(yàn)的對(duì)比，后期需要安排測(cè)試，進(jìn)行仿真模型修正。