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车辆雨水管理性能开发（1）水管理仿真模型介绍
2020-04-17 21:14:48· 来源：中汽中心空气动力学实验室
前言国际上对雨水管理问题的研究由来已久，其已经成为汽车性能开发中成熟的一环。近年来，雨水管理问题在国内不断升温，成为战略性和前瞻性研究，获得的投入不断
前言 国际上对雨水管理问题的研究由来已久，其已经成为汽车性能开发中成熟的一环。近年来，雨水管理问题在国内不断升温，成为战略性和前瞻性研究，获得的投入不断增加。
汽车雨水管理性能是一种视野安全性能： 雨天等恶劣天气行车，雨水在车窗上滞留，形成点状、片状等水渍，扭曲驾驶员视线，视野清晰度下降，从而对安全驾驶形成重大隐患。
图1 车辆表面雨水污染[1]
侧窗与后视镜上液膜来源于A柱溢流与自由流卷入，这两者会阻挡驾驶员视野，对驾驶安全性产生恶劣影响。雨水运动与分布特性受到其自身重力、惯性、气流产生的摩擦力、汽车表面剪切力的影响。如果要减少A柱溢流、后视镜溢流，并控制雨水运动路径，使其尽量避开主要视野区域，就要对汽车前方和侧方流场进行管理。
图2 车体表面雨水污染试验[2]
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，如今已成为雨水管理性能开发的重要手段。然而，雨水污染是十分复杂的湍流行为，其仿真准确度不仅取决于近壁面流场的精确模拟，还取决于多相流物理模型的诸多参数设置。
主流CFD软件均推出了可应用于雨水管理仿真的解决方案，本文将部分介绍其中基于续介质力学的模型。
不难想象，实现“雨水污染车体”的模拟，就要重现雨滴打到车体表面、形成水渍、水渍运动这一过程。因此，需要建立的主要模型为液滴模型（用于模拟雨滴在气体中运动与相互作用）、水膜模型（用于模拟车体表面雨膜的形成与运动）以及两者间的转化关系模型。
模型的建立有以下几个关键点：外流场建立（尤其是近壁面流场）；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。
基于拉格朗日架构建立的离散模型称为拉格朗日粒子模型，是一种十分简便的液滴模拟手段，其最初用于发动机中形成的液体壁膜的运动和蒸发[3]。将液滴视为拉格朗日粒子，当其与固体表面相遇时，可以形成一层液体薄膜。该模型在雨水管理中主要涉及以下物理现象：粒子间的撞击作用、粒子与气相的耦合、粒子与壁面接触过程。需要注意的是，离散相建模的前提是粒子浓度足够小，可以看作“稀释”状态。一旦违反此假设，模型计算会出现较大偏差。
常用的CFD软件star-ccm+中对拉格朗日粒子给出了大量可供选择的模型，用户可根据粒子属性与状态选择模型，其中球状材料液滴模型常用于雨水管理开发。除此之外，固体颗粒也可进行车体表面灰尘污染仿真。
在雨水管理中，忽略能量传输，不需要考虑冷凝蒸发作用带来的粒子增加或消失。如果追求更精确的建模，可以对粒子二次破碎模型进行进一步设置，也可以为撞击过程添加更准确的模型。
图3 离散例子的运动
对于所有薄膜近似，第一假设是薄膜厚度远小于车辆壁的特征几何尺寸（曲率半径）。这一假设对汽车的大多数表面区域都有效，但可能在非常尖锐的拐角处（例如后视镜的后缘处）不适用。第二个假设是薄膜中的液体流动是层流的，速度为线性。三是假定作用于液膜的惯性力和静力学效应可以忽略不计，并假定外界气流速度远大于液膜流速。
在质量守恒方程中包含了膜厚度hf 的求解方法：
式中 ρf 为膜密度，vf 是膜速度，f 下标表示液膜相。
液膜动量方程为：
式中，sm为动量源，pf 是压力，fb 是体积力（如重力、形状阻力、离心力、虚拟质量力），Tf 是薄膜内的粘性应力张量。
下图展示了液膜计算结果
图4 液膜模型仿真结果
正如前文所述，液膜模型是基于层流假设建立的。在车速较高、雨量较大的真实驾驶环境中，液相往往是极不稳定的湍流流动（如水流剧烈抖动或加速破碎现象），此时需要对液膜模型加以修正。
液膜与拉格朗日粒子相互转化关系为：粒子与固体或液膜表面接触成为液膜、液膜剥离成为粒子，在本类研究中主要需要考虑后者的建模。
液膜剥离为粒子有两种途径，一是波形剥离，其过程为：液膜自由表面形成波形，波浪增长不稳定，液膜厚度达到临界值发生剥离，剥离的流体形成圆柱体最后成为液滴[4]。
图5 波形剥离过程[4]
二是边缘剥离，剥离过程由液膜速度、周围流体速度、边缘角度决定。
图6 边缘剥离过程[4]
下图展示了液膜波形剥离与边缘剥离过程：
图6 粒子剥离过程[3]
VOF方法在是一种常用的多相流模拟的重要手段，已经发展的相当成熟。通过下图可以看到，VOF可以模拟条状水流与点状液滴。但由于精确捕捉气液交界面所需极高的网格密度，该方法耗费的计算资源较大。
图7 VOF计算结果
结语 以上模型为常用于雨水管理仿真的模型，可以单独使用也可以进行耦合仿真。每种模型自有其优缺点。在进行雨水仿真时，需要根据需求选择恰当的一种或多种模型，再结合车速、雨量等工况，对参数设置进行修正。
[1] Kruse, N. and Chen, K., “Exterior Water Management Using a Custom Euler-Lagrange Simulation Approach,” SAE Technical Paper 2007-01-0101
[2] Islam, M., 2004. Advanced Topics in the Simulation of External Vehicle Flows atAudi. In: STAR-CD Conference, London.
[3] O'Rourke, P., Amsden, A., 1996. A Particle Numerical Model for Wall Film Dynamics in Port-injected Engines. In: Society of Automotive Engineers, SAE Paper Nr. 961961.
[4] star- ccm+ 12.02 USER GUID.
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