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汽车雨水管理
2019-09-06 23:09:14· 来源：中汽中心空气动力学实验室
随着汽车走进千家万户，人们追求的不仅仅是廉价的代步工具，对汽车各项性能也提出了更高的要求。首先考虑的便是汽车的安全性能。在行车过程中，驾驶人视觉能力的
随着汽车走进千家万户，人们追求的不仅仅是廉价的代步工具，对汽车各项性能也提出了更高的要求。首先考虑的便是汽车的安全性能。在行车过程中，驾驶人视觉能力的高低直接关系到驾驶行为，对行车安全起到决定性作用。
在雨天或者恶劣天气行驶时，驾驶员视野受限，视野敏感度下降。据各保险公司统计的事故率来看，在雨天等恶劣天气时，汽车事故率要比平时高5倍之多，其中一个重要原因就是雨水在车窗上形成一层水膜，使得驾驶员视野范围受限，视野清晰度下降，从而对安全驾驶形成重大隐患。
目前雨水管理策略的研究主要集中在前风窗雨刷机构上，目的是更快更好的将前风窗上的水膜进行破坏，恢复视野清晰度。前风挡的水膜分布在雨刷刮刷的强制运动作用下，通常可以满足驾驶员视野正常需求；而汽车侧窗没有任何附加的清扫设备，其表面的水膜积累与分布往往处于不可控状态。然而在实际行车过程中，驾驶员需要透过侧窗观测后视镜及周围道路交通状况，因此侧窗的视野清晰度对行车安全性也具有重要影响——例如前风挡积累的雨水经过雨刷扫掠作用的聚集在A柱附近，可能越过A柱在侧窗上汇聚成多条“水流”，也就是A柱溢流现象；再如雨刷溅起的水滴可能随A柱扰流卷入侧窗，三角盖板、后视镜外壳等积累的液膜经过二次破碎与剥离，形成微小的液滴打到侧窗与后视镜上。这些点状、片状、溪流状的液膜都会行程侧窗污染，液体层折射光线，从而降低透过窗户和镜子的可见度，给驾驶员带来视野阻碍。特别是在夜间行驶时，由液膜漫反射造成的眩光更为严重。
图1 A柱溢流现象[1]
图2 侧窗与后视镜炫光
图3 加装雨眉与后视镜加热方法
据研究表明，侧窗上的水流有将近70%来源于雨刮溅起的水流，怎样使到达侧窗的液体最少？最直接的想法是“设置路障”，也就是通过增加A柱与前风挡之间的段差、排水沟等，利用物理手段阻挡水流流向侧窗。然而这类方法往往带来其他负面影响，比如增加风阻，特别是会对风噪带来严重的恶化。研究人员发现，在行驶过程中，液滴与水膜的运动轨迹受到自身惯性力、重力、车体表面摩擦力、整车外流场环境的影响，且车体表面摩擦力又是由外流场决定的，因此要控制雨水运动轨迹，就要从汽车外流场入手。通过引导气流方向与相对速度，可以影响液滴路径，控制水流运动轨迹。此外，即使有雨水不可避免地到达侧窗，也要尽量绕开对视野影响最大的主视野区，使水流从车窗上方和后方流走，从而减少其对驾驶员视野的阻挡，最大程度地提高雨天驾驶安全性。
从上世纪60年代开始，国外主机厂已经开始着手大量试验来解决这一问题，经过了数百小时的风洞实验，已经形成丰富的工程经验，可以保证兼顾风阻、风噪与雨水管理性能。在90年代，多相流仿真技术开始被应用于该领域，为雨水管理提前研发提供了可能。如今，世界主流主机厂已经具备集仿真、路试、风洞试验为一体的雨水管理性能开发技术。在国内，汽车外流场控制在近十年才被纳入汽车性能开发范畴，雨水管理概念也是近两年才进入大众视野，加之试验资源极为匮乏，对我国自主品牌汽车的雨水管理性能开发提出了极大的挑战。
雨水污染来源
侧窗上的雨水污染来源通常有二：一是A柱溢流，二是从乱流中卷入的液滴。A柱溢流往往是成股的水流或成片的水流其运动受到动量、重力、表面摩擦力、空气施加的剪切应力共同作用；液滴卷入往往成点状到片状的分布，其卷入程度与分布位置受A柱与后视镜附近的扰流影响。想要减少这两方面的污染，就要从A柱、三角盖板、后视镜几何入手, 其中A柱倾斜角、A柱前端段差、A柱伸入量、密封条设定、后视镜座上下宽幅、后视镜截面形状、后视镜托安装位置等都是影响侧窗雨水污染的几何因素。
图4 影响侧窗雨水污染的造型因素
下图比较了四种A柱和后视镜造型，一个基本的判定准则是：A柱与前风挡之间过渡越光滑越差，后视镜基座安装在车门本体上要优于安装在三角盖板。当然除了基本准则之外，还有诸多细节需要考虑。
研究手段：仿真+风洞+路试
随着硬件条件的提高与两相流仿真技术的发展，车体表面雨水仿真在上世纪90年代被引入整车雨水管理。按照雨水污染过程，对该领域产生重要影响的理论研究内容包括[2]：
- 几何体附近的多相流流场（如湍流、相位耦合、分散相的特性）；
- 液滴与壁面的撞击效应；
- 液体由滴状转化为薄膜的过程；
- 液膜沿壁面运动过程；
- 液膜从壁面的剥离过程；
- 二次液滴行程与二次夹带行为。
然而，雨水污染过程不仅涉及近壁面流场的精确模拟，还涉及多个模型的转化，是十分复杂的湍流行为，往往不能完全复现，且越是精细的模型耗费资源也越多，在工程应用中有一定局限。在仿真被应用与雨水管理之前，试验是获得汽车外流体流动特性的与优化的唯一手段。即使是在仿真技术被应用于该领域的今天，试验是必不可少的对仿真结果的检测，也是水管理性能的最后把关。
道路试验成本较低。然而道路试验驾驶条件处于不可控状态，而且无法在道路测量与液膜相关的细节，难以进行量化。因此在条件允许的情况下，汽车制造商尽可能用全尺寸风洞进行风洞试验，道路试验仅用于最后验收阶段对风洞试验结果的佐证。在风洞试验方面，雨水管理的复现条件比风阻的测量更为苛刻，对风洞某几项指标要求较高，一般风洞难以满足，所以往往需要根据经验对结果加以修正。
在今后推送中，将对雨水管理仿真手段与实验手段进行详细介绍。
参考文献：
[1] Advances inModelling A-Pillar Water Overflow
[2]Practice ofvehicle soiling investigations: A review
编校：中汽中心空气动力学实验室 
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