A柱溢流问题研究

一、前言

下雨时开车通常会给人带来很大压力。在这种情况下，雨水可能会淹没水管理设备，导致雨水流到车辆侧窗。这会严重损害驾驶员的车门后视镜和横向交叉口处的视野。

汽车水管理设计是一项很有挑战性的工作，因为这通常到设计阶段的后期才能进行测试。此外，传统的水管理特征，如沟槽和渠道，会产生不良的外形和较差的噪声。在设计周期的早期发现水管理问题，如A柱溢流，可以尽量减少水管理特征的负面影响。所以需要对挡风玻璃水管理进行数值模拟。

二、介绍

本文着重介绍了A柱溢流模拟的最新进展。这包括对捷豹轿车的验证研究和使用Exa-PowerFLOW进行数值模拟及风洞试验。将两种不同车速下的计算结果与仿真结果进行比较。CFD结果被用于进一步研究A柱溢流点的机制。这包括详细调查A柱的流动情况和对水管理的影响。

在当今的汽车发展中，空气动力学设计主要关注温室气体排放、燃料消耗、热管理、驾驶动力学和最大速度等指标。在减阻降升力、气动声学和热防护等标准不降低的同时，车辆涉水时对视觉、可见度、系统功能和美观的影响也变得越来越重要。这些问题也需要在车辆开发过程中加以考虑。例如，水淤积在车窗、后视镜和车灯上会影响驾驶员的视力。此外，安全相关系统（如制动系统）可能会受到积水的影响。要获得正确模拟结果，了解车辆的边界条件是十分必要的。一般来说，有两种机制会导致车辆污浊和车辆表面积水：自身污浊和外来污浊。

车轮在潮湿的路面上滚动会导致自污。道路上的液体由于轮胎施加的粘附力收集，当旋转轮的离心力超过水和轮胎之间的粘附力时，水被切向甩到空气中。空气中的水滴被推送到汽车周围的湍流流场中，然后撞击到汽车表面。其他车辆经过水洼会导致异污。根据液滴直径的不同，较小的液滴将趋向于跟随流线，而较大的液滴将由于其惯性而偏离此路径。当这些液滴撞击下游车辆的表面时，它们要么粘附，要么飞溅，然后破裂，再变成液滴。如图1所示，粘附的液滴可以在车辆表面上移动或积聚形成水珠和液膜。车身表面水的运动是由周围气流和重力产生的剪应力引起的。


图1 侧窗处液流分离

三、实验建立

车辆污浊程度测试可在与道路状况相当的特殊试验跑道上进行。但是在实际情况中无法充分控制边界条件，例如侧风或地表和空气中的水量。因此，最好在风洞中对车辆污浊进行研究，这样可以控制起始流速和水量。这里介绍的所有实验都是在风洞中进行的，如图2所示。


图2 风洞的侧视图和俯视图

为了能观察水流和液膜运动，将荧光染料加入水中，然后用高清摄像机获取流动信息。

四、实验结果

为了研究剪切应力和重力对水流在a柱和侧窗上运动的影响，分析了三种气流速度：80km/h、100km/h和120km/h。在所有实验中，水荧光混合物的体积流量保持恒定在70ml/min。每个试验至少进行60s。在测量过程中，以每秒50帧的全高清分辨率（1920×1080）记录流体的运动。为了便于对A柱和侧窗上记录的液流运动进行定量分析，定义了坐标系，如图3所示。其原点设置在侧玻璃的左上角。横坐标轴与气流方向平行；纵坐标与向下的气流垂直。


图3 引入坐标系确定液流位置

在所提出的实验装置中，可以从两个方面来考虑液流和液膜的运动：第一个方面是研究液体在侧窗上的初始运动，以50hz的频率记录。根据它前面的每个时间的位置，可以推导出速度和加速度。在实验中，进一步观察到，流体在初始化阶段后达到准稳态。

本文的第二个重点是准稳态水流的研究。在空气流速为80km/h和水荧光混合物体积流量为70ml/min的情况下，侧玻璃上的初始阶段和准稳态如图4所示。


图4 实验开始（左上），2秒后初始化阶段（右上），10秒后初始化阶段（左下），20秒后准稳态（右下）

对于准稳态研究，每个实验案例重复5次，以获得可靠的液流路径和形状统计。如图所示为80 km/h、100 km/h和120km/h的空气流速和70 ml/min的准稳态水流的数字化几何结构。


图5 用70ml/min的水体积流量（灰色）和平均值（黑色）描绘的5个后续实验的数字化准稳态轨迹

很明显，流速对A柱溢流位置没有影响。在80公里/小时的较低速度下，可以看到水流以恒定的轨迹向下移动，这表明重力和剪切应力之间的平衡。在较高速度（100 km/h和120 km/h）下，剪切应力对水流的影响增大。随着空气速度的提高，A柱漩涡变得更为明显，沿着A柱，侧玻璃上的漩涡向后推动。

五、数值设置

为了减少计算成本，仿真模拟使用了一个边界“播种箱”。“播种箱”的入口大约在车辆前围板前0.3m处，侧壁足够大，可以包围整个后视镜尾迹和大约0.3m的前挡风玻璃。在实验中，边界的出口被安置在实验中液流接触侧窗底部的后面。

该求解器假设水可以近似为薄膜层，由气-液界面和液-固界面上的剪切应力驱动。求解器还考虑了重力，重力被视为作用在液膜上的体力。然后根据包括上述表面和体积力在内的动量平衡计算速度。

这项研究的目的之一，是要观察水流在A柱和侧窗上的运动。

在数值模拟中，液膜采用标准特性，粘度为0.001帕秒，表面张力为0.0728 N/m，密度为1000 kg/m3。选择喷嘴位置、流量和喷射方向与实验接近。

六、数值结果

在真实的a柱上进行液流数值模拟是一项很有挑战性的工作。这是因为液流运动对气流的敏感性非常高，需要高保真度的瞬态气流模拟。此外，如我们的实验部分所示，薄膜达到准稳态所需的时间尺度很长。

当剪切力和重力之间的平衡被破坏时，薄膜厚度的微小变化（<0.1 mm）可导致液流轨迹的大变化。在这些条件下，预测趋势的能力，如先前所示从80km/h到100km/h的液流轨迹变化，是非常重要的。

物理时间3.5s时80km/h和100km/h的模拟结果如图7所示。这些结果表明，在80km/h时，可以预测液流的基本趋势是向后下方流动，在100km/h时，可以预测液流的基本趋势是沿密封件流动。


图7 80 km/h（顶部）和100 km/h（底部）时A柱模拟的膜厚结果

七、结果讨论

除了模拟A柱和侧玻璃上的液流运动外，数值模拟还可以深入了解观察到的行为发生的原因。为了便于讨论，将A柱溢出问题分解为多个区域，并简要描述了影响每个区域内薄膜流动的主要空气动力学现象：

1.挡风玻璃

A柱上流动的大部分水来自挡风玻璃。水流被雨刷器或前风窗气流带到A柱槽。这可以从图8中的表面流线朝向A柱的方式看出。前围上的涡流在挡风玻璃底部附近形成一个静止区域，有助于排水。


图8 此图显示了80公里/小时（左）和100公里/小时（右）情况下的表面摩擦力和流线

2.A柱槽

A柱槽内的水主要向上流至车顶上的水管理通道，或向下流至前围。液膜从A柱槽向上移动或者向下移动的位置取决于液膜动量、表面摩擦力、重力和由空气引发的剪应力之间的平衡。液膜流入槽内会失去很多动力，槽内的液膜移动相当缓慢。这意味着我们主要关心的是空气产生的表面摩擦（剪切应力）和作用在液膜上的重力之间的力平衡。由于水的性质，我们可以估计作用在每1mm厚度的膜上的力为1N/m2。通过图8，我们可以看到可以由表面摩擦力支撑的液膜沿着排水槽增加。

3.A柱台阶

一旦水冲破A柱台阶，它很可能到达侧窗。由于声学原因，A柱台阶与水流成角度，这样水流就可以附着在A柱台阶上。如图9所示，该附加流产生一个剪切力，将液膜向上推到a柱上。


      图9 80km/h条件下A柱溢流处的速度和流线

4.A柱

一旦液膜到达A柱表面，它就会进入一个较高的表面摩擦区域，从而加速薄膜在A柱周围的移动。在80 km/h和100km/h的情况下，可以看到高摩擦区域平行于图中的A柱台阶。在穿过高剪切区域后，薄膜流沿着A柱表面分离，形成低表面摩擦区域。该区域内的液膜会因重力而下降，进入门缝并排出。然而，在本研究中的80km/h和100km/h两种情况下，溢流位置附近都有一个流动结构，为该高度的薄膜提供了一个通向门缝的桥梁。在图8左图中，可以看到这座桥梁在a柱的一个红色斑块上。

5.门缝

在车门和A柱之间有一个间隙，为A柱提供了另外的屏障。在这个间隙中有一个相当大的流动区域，重力或薄膜动量将带其穿过这个间隙。这就意味着除非有足够的溢流，否则进入该间隙的水将被排出。

6.车门密封

车门密封件为液膜流到车辆侧窗提供了最后一道屏障。液膜穿过车门密封件后，沿密封件后缘有一个小的分离。这种分离气泡有助于保持液膜沿密封流动，即使在密封已被打破也是如此。在实验和数值试验中，都观察到水沿着该密封流动。

7.侧窗

液膜接触到侧玻璃并不意味着它必然会导致驾驶员的能见度问题。例如，液膜沿着车门密封条流动可以将注意力分散将到最低程度。在100km/h和120km/h的试验中，水流过侧窗的上部，这不会影响到驾驶员的视野。需要关注的是那些阻碍驾驶员观察侧窗的80km/h的液流。侧窗液流的路径受作用在侧窗上的剪应力的影响。这意味着，对侧窗的改变会影响侧玻璃水沟的路径。

图10可以看出80和100 km/h情况下表面摩擦强度的差异。100km/h的情况下，提供了一个非常大的向上的力，使它流到侧窗。这种向上的力来自A柱涡流。在100公里/小时和120公里/小时的情况下，作用在薄膜上的剪切力足以使液流固定在侧玻璃密封件上，并远离驾驶员的视野。


图10 80 km/h（左）和100 km/h（右）情况下的表面摩擦侧视图

八、总结

本文对轿车的A柱和侧窗进行了控制实验。这些实验得出了可重复的结果，根据这些结果可以验证数值结果。

使用液膜模型进行的模拟能够预测液流轨迹的总体趋势。在80km/h的情况下，液流横穿侧窗，在100km/h的情况下，液流沿着车门顶部的密封流动。

模拟结果的进一步研究表明，这种行为是由于车辆侧窗的表面剪应力强度随车速的变化引起的。由于作用在薄膜上的重力和粘滞力随车速保持恒定，剪应力的变化会使力的平衡发生变化，从而产生不同的液流轨迹。

本文选自：
Advances in Modelling A-PillarWater Overflow Jilesen, J., Spruss, I., Kuthada, T., Wiedemann, J. et al.,"Advances in Modelling A-Pillar Water Overflow," SAE Technical Paper ，2015-01-1549