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车辆雨水管理性能开发（2）雨水管理风洞试验介绍

2020-08-14 19:42:12·  来源：中汽中心空气动力学实验室  
　
每年6月，随着梅雨季的开始，我国南方陆续进入降水集中期。而今夏汛情尤为特别，不仅天气气候形势复杂，极端事件频发，南方地区还出现多轮大范围持续性强降雨，
每年6月，随着梅雨季的开始，我国南方陆续进入降水集中期。而今夏汛情尤为特别，不仅天气气候形势复杂，极端事件频发，南方地区还出现多轮大范围持续性强降雨，北方的暴雨、大暴雨、特大暴雨的预警也接连不断，给出行带来严重影响。雨天行车，路面湿滑、能见度差，行车安全是重中之重。雨天行驶安全性能除了刹车性能、密封性能等关注点较高的性能之外，水管理性能也十分重要。如何减少侧窗水渍对视野的阻挡？这就是水管理提出的问题。
 
1. 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。在上一篇文章里（车辆雨水管理性能开发（1）水管理仿真模型介绍）我们讲解了用于雨水仿真的部分主流模型，本篇我们将基于公开发表的文献，介绍环境风洞中的水管理试验。
 
图1 车辆表面雨水污染[1]
 
2. 雨水管理试验综述
水管理属于汽车外表面污染物管理（Exterior Water Management，简称EWM），该领域始于对飞机外表面的雨水沉积的研究。为了减少因强降雨而导致飞机着陆的事故发生的概率，从上世纪80年代初开始，Luers J和Haines P [2][3]研究了飞机和车辆外表面的雨水沉积，90年代之后，用于燃油系统中液膜模拟的模型被引入EWM。这些在早期出版物中介绍的建模方法至今仍应用在在汽车水管理中。
2.1 
通用汽车在1998发表文章中进行了风洞试验和仿真对标工作[4]，该试验巧妙利用了盐水来显示雨水轨迹。实验前，用盐水喷洒挡风玻璃，经过水的冲刷，残留在挡风玻璃上的盐渣被雨刮器清洗带走，留下了一条非常明显的痕迹。
 
图2 盐渍试验结果[4]
试验显示，主要溢流发生在玻璃顶部，车窗上半部分被污渍遮挡。模拟和试验均表明，雨水溢流集中在A柱的上部四分之一。遗憾的是，该文章并未对风洞条件和汽车状态进行详细介绍。
2.2
Gaylard A P 等在文章中对试验条件进行了详细说明[5]：实验在MIRA-CWT2中进行, MIRA-CWT2风洞喷口可调节，该实验中喷口面积为2.5m2。
 
图3 车辆与喷口大小关系（MIRA-CWT1 喷口面积2.5m2）
图片来源 https://www.horiba-mira.com/facilities/climatic-wind-tunnels/climatic-wind-tunnel-cwt-one/
喷嘴出口前2.3米处安装雨栅，雨栅中心距地面1.27米，如图4。雨栅中心线高度与外部后视镜玻璃的中心高度相对应。雨栅宽0.684 m，高0.855 m，带有13个喷嘴。试验风速为100km/h（60mi/h）。雨水管网通过涡轮流量计、显示器和流量控制阀连接到总水管上。总水管的压力约为2.07bar，流速为3.5升/分钟。为了消除初始流量超调的困难，在实验之前，使用夹具打开和关闭流量，并设置流量控制阀。测试时，车辆安装在雨栅后面4.0米处，方向盘中心线与雨栅中心对齐，无偏航。每次试验后将A柱附近表面擦干，以减少A柱湿润对液膜运动的影响。雨刮器擦拭速度为1.18次/秒。水滴粒子平均值为0.173mm，方差为7.94×10−9 m。
 
图4 雨栅结构[5]
该试验特别之处还在于对通过某一竖直截面的雨滴流量进行了测量：试验在空风洞内进行，在位于雨栅下游5.63 m的平面上的36个位置收集雨水（将四个雨量器阵列移动到9个不同的位置）。结果如图5所示，可以看出，最大的水量通量刚好在最小雨栅高度以上。由于该实验中雨栅的顶部略高于喷气喷嘴的出口，注入雨栅顶部的水滴会由于重力而下降，然后被喷射流捕获并通过测量网格平流。实验还显示了不对称程度，该不对称度可能是由于实验和数值颗粒尺寸分布之间的差异、风扇的涡流、采样误差等原因。
 
图5 雨滴流量测量装置与试验结果[5]
2.3
Jilesen J等同样在Mira-CWT2中进行试验[6]，该试验条件与2.2中几基本一致：将车辆定位在通道内，使前保险杠位于喷洒格栅下游4m处，车辆偏离中心线以确保了车门后视镜和无喷射剪切层之间有适当距离。雨刷频率62次/min，总流量为1.24L/min，风速为96.6 km/h，试验车辆为捷豹XE，喷雾网格位于喷嘴出口平面前方2.3m处。该试验添加了荧光染料，在紫外线照射下不同厚度的液膜可以显示不同的发光强度。图6展示了该实验结果。
 
图6 两次试验结果[6]
根据图6显示，A柱溢流有多个突破点。比较两幅图像可以看出：流场中的瞬时变化会导致水流路径偏差，侧窗玻璃上的水流路径并不完全一致：溢出位置1和3出现在两个实验结果中，而2只出现在第二次测量中。溢流位置3的水流在两次试验之间是一致的，其运动方向较为水平。位置1的水流在两次试验中有所差别。溢流位置1产生的溪流的厚度在两次试验之间基本不变，这表明水流轨迹不是由溢流量决定的。
 
2.4
Kruse N等在FKFS热风洞中进行了试验[1]:FKFS热风洞是一个垂直构造的哥根廷型风洞，有两种不同的喷嘴横截面积：A1=6 m2和A2=4 m2，最大自由流速度分别为v1=210 km/h v2=240 km/h。风洞配有一个完整的双轴压路机测功机试验台，具有恒定的滚筒表面粗糙度，以驱动和制动车轮。该风洞能够通过喷雨网和轮胎前方的特殊喷淋设备进行污染模拟，能够模拟各种车辆自污染和外来污染。降雨系统流量均匀稳定，泵的输出范围为0.0072L/h至4.32L/h。泵与注射针相连，针头固定在恒定位置。
 
该试验同样使用荧光染料，染料在短波紫外线下激活，吸收波长范围为360nm-390nm，发出波长430nm-470nm。在风速分别为80kph、100kph和120kph进行试验，液体的体积流量为70 ml/min，每次试验至少进行60 s。图7展示了80km/h侧窗玻璃上的水流轨迹演化。从图中可以看到，水流在10s后已经稳定，水流轨迹为向后向下的弧线。
 
图7 各时间点水流轨迹[1]
2.5
下图同样为FKFS热环境风洞实验结果[7]，试验风速为80kph。从图中可以看到，侧窗上部污染较为严重，水流呈向后向下的弧线。
 
图8 实验结果[7]
 
3. 小结
目前出版物中，有少数几篇对试验过程描述较为清晰，具有参考价值，但仍不足以指导真实水管理试验。例如降雨强度设置的合理性、如何评价视野清晰程度、修正小阻塞比对侧面流动的影响等，依然是我们需要解决的问题。中汽中心风洞实验室正在开展水管理标准化研究，以补充行业内相关开发与试验基准，欢迎业内专家共同研讨。
参考文献
[1] Jilesen J , Spruss I ,Kuthada T , et al. Advances in Modelling A-Pillar Water Overflow[J]. SaeTechnical Papers, 2015
[2] Haines P , Luers J . AerodynamicPenalties of Heavy Rain on Landing Aircraft[J]. Journal of Aircraft, 1983, 20,111-119.
[3] Luers J , Haines P .Heavy rain influence on airplane accidents[J]. Journal of Aircraft, 1983,20(2):187-191.
[4] Karbon K J , Longman S E. Automobile Exterior Water Flow Analysis Using CFD and Wind TunnelVisualization[C]// International Congress & Exposition. 1998.
[5] Gaylard A P , Fagg M ,Bannister M , et al. Modelling A-Pillar Water Overflow: Developing CFD andExperimental Methods[J]. SAE International Journal of Passenger Cars - MechanicalSystems, 2012, 5(2):789-800.
[6]Jilesen J , Gaylard A ,Linden T , et al. Update on A-Pillar Overflow Simulation[C]// Wcx WorldCongress Experience. 2018.
[7] Kruse N , Chen K H .Exterior Water Management Using a Custom Euler-Lagrange Simulation Approach[J].2007, 1.
 
 
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