技术丨浅析雨天行车侧窗视野清晰度问题

姜祖啸先生：

上汽集团优秀工程技术人才，从事奥迪品牌空气动力学整车开发工作，涵盖空气动力性能、乘客舱流场控制、外气动风噪、整车热管理、整车防污性能等在内的数字化研发，参与了多项与汽车空气动力学相关的国标和行标工作。

我们的先辈们喜欢雨，也喜欢记录雨，为我们留下了诸多朗朗上口的关于雨的诗句。“天街小雨润如酥，草色遥看近却无”，“清明时节雨纷纷，路上行人欲断魂”，“夜阑卧听风吹雨，铁马冰河入梦来”。在这些诗句中，我们看到了先辈们对毛毛细雨、中雨以至于暴雨的记录，也看到了他们对雨的喜爱和担忧。

城市里的人们并不喜欢雨，下雨意味着堵车，而堵车的一个重要原因是雨天行车驾驶员视野受限。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，其中一个原因就是汽车侧窗会形成水膜，阻碍驾驶员的视野，进而造成安全隐患。

本文结合作者在汽车开发过程中侧窗雨水管理的一些经验和感想，浅要地介绍了雨天行车侧窗水膜的形成机理以及如何在开发中保证侧窗视野清晰。

1.雨天行车侧窗视野问题研究历史与现状

由于地理分布原因，中国的降雨量从东南到西北是逐渐减少的。乌鲁木齐年降雨天数大约是60天，而到了中部的华北平原，降雨天数约为80天，到了长三角则增加到约130天，珠三角则是150天左右，中国年降雨天数最多的是贵州遵义，一年有约240天在降雨。雨天行车是每位驾驶者都会遇到的情景，而这个驾驶情景中最让人烦心的可能就是侧窗视野不清晰了。一旦雨天行车视野不清晰，驾驶者便失去了安全感，高速行车过程中失去了外界的信息输入，即使是老司机也不免暗自担心，那感觉就像在迷雾中开车，小心翼翼，生怕发生意外，轻则伤财，重则伤人伤己。

图1   雨天行车侧窗模糊

1.1雨天行车侧窗视野研究历史

上世纪60年代开始，针对雨天行车侧窗视野不清晰的问题，国外主机厂便开始着手解决这一问题，上世纪80年代起，部分车企便将侧窗视野清晰度作为车辆性能指标之一，在开发过程中予以考虑，在此过程中积累了很多开发经验，并且逐步形成了测试规章和评价标准。诸如A柱挡水条以及后视镜镜壳上方的导水槽和下方的挡水坝、侧门密封条的一些有利于疏水导水的措施以及外形设计，目前仍广泛用于汽车外形设计中。

中国国内汽车市场起步较晚，针对雨天行车侧窗视野的研究更是直到20世纪末才有相关理论研究。整车厂关于此项性能的研究则是从合资企业逐渐到自主品牌，从理论研究逐步落地到汽车研发过程中。近些年来，国内整车厂逐步认识到了雨天行车侧窗视野性能对安全和增强品牌竞争力的作用越来越大，逐步加大了对汽车侧窗水污染的研究力度。

图2   侧窗视野相关的汽车设计细节

（a）A柱挡水条；（b）外后视镜上方的导水槽；

（c）后视镜下方的挡水坝；（d）侧窗密封导水槽

1.2 消费者雨天行车应对“妙招”

消费者们也大多经历过雨天行车的情景，面对雨天行车侧窗视野不清晰这一问题，也有诸多“妙招”。消费者的应对方式主要有以下四种：

第一种是最为直接的刮水方法。侧窗积水较多时，便降下侧窗，使用侧窗密封胶条刮掉侧窗的水，然后快速升上侧窗。这种做法不仅会使车内进入大量雨水，影响驾驶者心情，也会使驾驶者分心，造成一定的安全隐患。

第二种是老司机们口口相传的涂抹肥皂方法，后面升级为了专业的涂抹材料——“雨敌”。这种方法的本质是通过外加物质增大雨水和侧窗玻璃、外后视镜镜面的接触角，水更趋向于凝结成大水珠进而形成水流流下侧窗和外后视镜，不会形成水膜阻碍驾驶员视野。这种做法除了会带来额外的花费外，也存在有效时间短等缺点。

图3 水滴和固体表面的接触角。

接触角越小，材料表面越具有亲水性。

第三种是自行安装后视镜雨眉和侧窗雨眉。合理安装雨眉可以在小雨和中雨状况下有效减少侧窗和外后视镜上的水迹，但是在暴雨状况下效果不明显。雨眉多使用胶粘，在高速行驶下存在脱落风险，万一掉落的雨眉造成其他车辆发生意外事故，车主需要承担相应的责任。此外，雨眉可能会造成额外的噪声影响。

第四种是购买具有加热功能的外后视镜。雨天行车时打开后视镜加热，后视镜镜面上的细小雨滴会受热流下。但是目前市面上还没有带加热的侧窗玻璃，这就导致了后视镜清晰，但是侧窗不清晰，仍然无法看清车后和车外的行人车辆信息。另外，外后视镜加热功能在大雨状况下作用不大，因为后视镜面上积累了太多的水。部分高端车型如保时捷卡宴等，会在前风挡玻璃、前侧窗玻璃和后视镜镜面使用了斥水型玻璃和材质，这种玻璃的表面经过特殊处理，能增加材料和水滴之间的接触角，类似“持久性雨敌”的效果。

图4   消费者应对雨天行车侧窗视野不清晰方法

（a）涂抹肥皂；（b）涂抹“雨敌”；（c）外后视镜雨眉；

（d）侧窗雨眉；（e）后视镜加热

1.3 工程师眼中的侧窗视野问题

中国古代神话三皇五帝时期，中原洪水泛滥，尧、舜命令大臣鲧前去治水，鲧使用共工之术大修堤坝，治水九年不成，被流放死于羽山；其子禹，采用疏导和阻隔相结合的方法，黄河终于平息，人民安居乐业。

雨天行车侧窗视野问题，本质上是汽车空气动力学视角下的雨水管理问题，工程师们需要考虑的是如何像大禹一样，通过巧妙的设计来“疏导”、“阻挡”雨水。现在的汽车外形设计，考虑到空气阻力的因素，一般会要求汽车在高速行驶时气流能紧贴车身，但是在雨天行驶时，水滴会跟随空气一起紧贴车身，如果侧窗玻璃上积累过多的水迹而又没有被及时吹走，侧窗便会视野模糊。

侧窗视野问题是汽车空气动力学的一个分支，在研发中更受重视是车身空气阻力系数、整车风噪、横风稳定性、汽车升力等问题，但是随着国内消费者越来越重视行车安全性，如何通过良好的造型设计和细节处理，在不影响整车风阻系数和整车风噪水平的前提下保证雨天侧窗视野清晰度，将是汽车研发需要关注的一个问题。

客户的需求，便是汽车工程师的追求。雨天行车侧窗视野不清晰会使客户在增加潜在的风险，那么汽车工程师便有责任解决这一风险。

2.雨天行车侧窗后视镜水迹来源分析 

《孙子·谋攻》有言，“知彼知己，百战不殆。”要想解决雨天行车侧窗视野问题，首先要知道影响驾驶员视野的这些水的来源。知道了水的来源之后，针对性地布置“路障”或者“排水槽”，达到“治水”的效果。

2.1 驾驶员视野研究对象分析

在汽车设计中，汽车一般是左右对称的，除了外后视镜等少数零部件。为便于分析，对驾驶员进行视野分析的时候，选取使用频率更高的主驾侧前侧窗玻璃和外后视镜作为分析对象。

驾驶员坐在驾驶位上看向外后视镜穿过侧窗玻璃的区域， 我们称之为核心视野区，此区域保持干净对于行车安全至关重要；另外，驾驶员通过侧窗直接观察车外环境的区域，我们称之为辅助视野区，这部分区域如果水迹过多，也会在一定程度上影响车辆的安全驾驶。

图5  主驾侧侧窗研究区域

另外一个研究对象便是主驾侧外后视镜镜面了。驾驶员通过核心视野区看到外后视镜镜面，如果核心视野区和外后视镜镜面都保持清晰，驾驶员便能实时掌握车后信息，在进行超车、变道也更有把握。

图6   主驾侧外后视镜镜面

2.2 侧窗水迹来源分析

由于汽车独特的造型以及外后视镜的存在，导致汽车在雨天行车时后视镜镜面和侧窗出现水迹，这些水迹主要有以下几个来源：

（1）雨刮会把大部分前挡风玻璃上的积水刮到A柱台阶处，部分积水可能会在高速气流的作用下越过A柱，在侧窗上形成水迹，高风速下气流多集中于侧窗上部，基本与A柱轮廓平行，低风速下水迹会在重力的作用下向下发展，可能会经过核心视野区和辅助视野区；

（2）高速气流遇到前挡风玻璃后，向两侧发展，越过A柱后形成A柱涡流，A柱涡流裹挟着雨滴作用在侧窗上，形成离散的水迹；

（3）后视镜的后方会形成一个狭长的涡流区，风速越高涡流区越狭长，但是也更加远离侧窗玻璃，风速较低时，涡流区较短，但是更加粗壮且靠近玻璃；后视镜镜壳积水后，部分积水会脱离镜壳进入涡流区，雨滴沾染到侧窗玻璃上；

（4）雨水在A柱型面上汇集，流到侧窗玻璃后沿着玻璃上边缘，以及三角窗积水翻过三角窗水坝，汇集到三角窗后边缘，在气流的作用下向侧窗玻璃上发展，可能会流到核心视野区和辅助视野区。

2.3  外后视镜镜面水迹来源分析

汽车外后视镜镜面上的水迹来源主要是镜壳上下表面积水在后视镜边缘处发生脱离，进入后视镜后方的纺锤形涡流区，进而卷到后视镜镜面上。

另外前风窗玻璃上的雨水如果发生A柱溢流，和直接打在挡水条以及A柱上表面的雨水一起，在A柱折角处会部分发生脱落，进入后视镜涡流区，加重后视镜镜面上的水迹污染状况。

目前多数车企在进行后视镜的设计时，会在后视镜镜壳上方设计流水槽，下方设计挡水坝，在后视镜镜壳远离车身表面的区域设置为脱落区，这样大多数雨水会在后视镜远离车身的边缘处脱落，最终打在侧窗玻璃靠后的区域，而非打在核心视野区上。

图7   保时捷卡宴（2018款）后视镜水槽和水坝设计

3. 风洞试验

不同于油耗测试或者风噪测试，只要路上风不是很大，就可以进行路试。汽车侧窗雨水管理的试验进行路试很大程度上需要看天吃饭，毕竟不能因为一个侧窗水管理路试就申请“人工降雨”，并且实际降雨的雨强和持续时间都无法确定，试验具有很强的随机性。在这个背景下，过去的几十年内，在环境风洞中进行雨天行车侧窗视野分析试验的方法逐步发展完善，并且由于良好的可重复性和可定量性，逐渐成为车企进行此项性能开发的主流方法。

3.1试验现场布置简介

试验在整车环境风洞中进行，车辆居中摆放，外后视镜距离喷口距离约4m。为了更好地观察无色的水，在水中加入荧光剂，进行试验时关掉环境灯光，打开荧光灯，使之照射关注区域，并在合适的位置放置高清相机，记录侧窗的水迹发展。

图8   侧窗水管理试验环境风洞现场布置

（a）高清相机；（b）雨水支架 ；

（c）荧光灯矩阵；（d）尾气排放吸收装置。

在试验过程中，可以调整喷水支架供给水量和风速，来模拟汽车在不同的降雨环境中以不同车速行驶的场景。在同一风速下，雨强越大，喷水支架供水量应该越大；在同一雨强下，车速越快，前风窗单位时间内接收到的水越多，喷水支架的供水量也越多。

3.2 车辆侧窗视野试验评价

对侧窗视野进行评价，要站在驾驶者的角度上，对侧窗、侧窗上的核心视野区、外后视镜镜面分别进行评价。评价的整体思路为：关注区域水越少，侧窗水管理性能越好。

最直观的评价方式是坐在驾驶位上，调整坐姿看向主驾侧外后视镜，评价清晰程度。但是这种方法有一个弊端，就是只能应用于车内能坐人的样车或量产车，无法在车辆开发早期就进行相关试验。

图9  某款轿车进行侧窗水管理试验车内视角

侧窗水迹较多，无法通过核心视野区看到外后视镜镜面。

更为普遍的评价方法是在外部对主驾侧侧窗区域和外后视镜进行拍照，观察侧窗上水迹分布的位置和大概面积占比，若A柱溢流的水覆盖了核心视野区，则需要引起工程师的重视。

图10   汽车侧窗水迹分析

（a）速度较低时，水迹受到重力影响较大，溢流后分布较广；

（b） 风速较高时，水迹受到来流剪切力影响更大，水迹和来流方向一致。

针对后视镜镜面也是类似的评价方法，观测后视镜镜面的水迹分布和大概的覆盖范围。如果后视镜镜面水迹分布范围较广，或者后视镜镜面某处持续不断有大量水滴打上去，形成水流，就需要工程师仔细寻找水滴来源，进而优化这个问题了。

量化分析是针对侧窗水管理的一个评价趋势，其基本思路是在侧窗和后视镜镜面上，我们看到有水，是因为那里比较绿，从颜色的角度上来看就是，那里的RGB中的G 值较高。因此可以对整张图片上的点进行像素分析，选中关注区域后，设置G阈值，如果某个点的G值大于阈值，则被认为有水。在选取合适的G阈值后，经过处理后的图片和眼睛直接观察的图片具有良好的一致性，且能计算具体有水的区域占据总的关注区域的比例。

图11   侧窗处理图片，侧窗区域有水的区域占据整个侧窗比例为20.8%；核心视野区（即侧窗上被画出来的区域）有水的区域占核心视野区比例为2.0%。

图12   后视镜镜面有水的区域占3.9%。

这种评价方式能从数据的角度对侧窗和外后视镜镜面的清晰程度进行评价，但是和选取的G阈值有关，不同的人选取的阈值可能不同，得到的污染占比也可能不同。此外，这种评价方式无法对关注区域的水的形态进行说明，水滴和水流在驾驶员实际开车过程中的影响肯定是不同的。

3.3 风洞试验的局限性

风洞试验无法完全模拟道路状况下雨天行车的情景，主要原因有以下几点：

1）实际降雨时大时小，并非均匀降雨，但是风洞中供给水量一般是均匀供水；

2）雨天行车侧窗积水不仅来自自然降雨，还包括周围车辆溅水导致的侧窗积水，风洞试验条件暂时无法考虑这种状况；

3）环境风洞中的水滴粒子一般为喷嘴产生，大小和形状比较规则，而实际降雨的雨滴直径更加不规则；

4）真实降雨过程往往会持续数十分钟或数小时，风洞试验为追求效率，单一工况持续时间一般不超过五分钟，无法模拟长时间雨天行车形成的积水效果，和真实路况雨天行车效果有一定的差别。

但是在风洞中研究雨天行车侧窗雨水污染的性能还是可行的，比如可以观察在不同的风速、降雨工况下是否出现A柱溢流现象以及溢流严重程度，还有不同工况下后视镜镜面的积水状况。虽然风洞试验无法完全模拟实际雨天行车的情景，但是具备道路行驶试验不具备的重复性和可定量性，可作为产品开发过程中的雨天行车侧窗视野性能开发的参考。

4. CFD助力工程师保证侧窗视野

宇宙万物皆可CFD，侧窗视野问题在CFD看来，也不例外。

从项目后期的实体样车进行侧窗水管理验证试验，从经济成本和时间成本的角度上看，具有以下缺点：首先，必须等到有样车了才可以进行改造并进行试验，相对而言造型已经基本定下，更改范围缩减；其次，若有更改方案，样件制作时间较长，且单次风洞试验成本较高。

使用CFD软件进行前期计算评估，能在项目更早期参与到侧窗视野校核相关的造型决定中，并且造型更改参与计算相对于样件制作较为方便快捷。

目前主流的计算软件如Starccm+、Fluent、AVL等都可以进行侧窗视野校核的仿真，但是雨天行车仿真牵扯到固态（车身）、气态（高速流动的空气）和液态（雨水）的耦合，计算较为困难。

雨滴直径大多在0.5-1.5mm范围内，在空气中具有良好的跟随性，因此在仿真计算时不仅要考虑粒子受到重力的作用，还要考虑气动力对于粒子的影响，因此气流和水滴粒子的双向耦合计算是准确模拟分析粒子运动轨迹的关键。另外，雨滴粒子在三角窗边缘、后视镜镜壳表面等位置发生汇集并且二次分裂，会产生更多细小的雨滴微粒，雨滴微粒进入车身周围流场，共同作用于关注区域。

对于整车级别的雨水仿真，若要考虑真实的雨天行车情景，情况将会非常复杂，并且计算量很大，水滴粒子数目可能需要上百万，如果使用两相流模型，可能要把一个服务器算爆了。但是如果使用两相流模型或全部考虑为液膜模型，又无法准确模拟水滴粒子和壁面以及气流的相互作用，更不用说追踪粒子的轨迹了。

在保证计算精度的同时，如何尽可能缩短计算时间，使之能应用到项目指导上面，是雨天行车CFD仿真的一个发展方向。整车模型太大，可以使用半车甚至四分之一车模型进行计算；雨水粒子太多，计算量太大，可以使雨水和车身壁面接触后成为液膜，而在空气中仍然是独立的粒子形式；雨刮动起来的模型计算量太大，可以在A柱台阶处使用一个喷口，模拟雨水被雨刮刮向挡水条处的状况，这样就不必使用动网格进行计算，节约了大量的计算时间。

5. 总结

通过合理的汽车外形设计，辅助以必要的疏水、挡水措施，可以有效改善汽车雨天行车过程中侧窗及外后视镜的清晰度。但是汽车空气动力学设计，要综合考虑空气动力学阻力、整车风噪水平、侧窗视野问题、汽车横风稳定性等各种问题，如果只考虑雨天行车侧窗视野问题而导致其他空气动力学性能变差，对一个汽车工程师来说是万万不能接受的。如何找到一个设计的平衡点，保证所有的汽车空气动力学性能都能满足要求，汽车工程师们一直“战战兢兢，如履薄冰”，但为了更好的汽车性能，我们义无反顾。

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