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环境风洞降雨环境模拟及优化初探
汽车雨水性能开发，指利用环境风洞模拟预设雨水环境(雨水强度及均匀性)，结合仿真分析，改善雨水流通路径、A柱溢流、侧窗及车身污染、密封等性能。
1.背景
长期以来车辆雨水管理性能开发依托于雨天道路环境试验及仿真，因缺少雨水强度及均匀性可控的雨水环境进行方案验证，难以保证仿真与试验结果的一致性，严重影响优化方案的推进。
2.简介
中国汽研依托于建成的整车环境风洞，其喷口布置雨水喷射框架，雨水随喷射气流运动至车身表面，通过调节供水流量、更换喷嘴及其布置形式，可提供指定雨水直径、强度及均匀性的雨水环境。
图1 雨水喷射框架（左）和雨水荧光显影（右）
图2 雨水强度控制原理
3. 详情
3.1喷嘴喷射试验及标定
无风环境下，利用高速相机定格喷头出雨形态、速度、雨滴直径、喷射范围等，利用仿真工具进行校核，如下图所示。
图3 喷嘴出水形态（左）
喷射范围（中）仿真校核（右）
3.2 喷淋试验及标定
有风环境下，使用雨量仪，结合高速相机测量各位置截面的雨强、雨径、雨速等，利用仿真工具进行校核及标定，并导求雨水强度的均匀性空间区域，某5x6喷嘴阵列（喷嘴呈5行6列均匀布置，行距0.12m,列距0.4m，详见雨水控制原理图）试验及仿真结果，如下图所示。
图4 降雨环境试验
图5 降雨环境仿真
雨水通过喷射框架上的喷嘴阵列释放，由气流带动，过程中不断汇合、分离、叠加，在雨水喷射范围内，不同距离及高度上的雨水强度各不相同。如下图示为距喷口1.4m和3.5m位置，不同距地高度上的雨水强度统计：呈周期性变化，雨水强度波动大，幅值可相差一倍。
图6 x方向（车身方向）1.4m和3.5m面上的雨强统计结果
1 如下图示为距喷口1.4m距离,高度1.4m位置，沿车宽方向，雨水强度的试验与仿真结果：规律及幅值基本一致。
图7 x方向1.4m，高度为1.4米这条线上的雨强实验结果和分析结果对比
2 如下图示为距喷口1.4m距离，距地高度1.0~1.9m，沿车宽方向，雨水强度的试验与仿真结果：规律及幅值基本一致。
图8 截面雨强分布试验与仿真结果对比
3 如下图示距喷口1.4~3.5m距离，距地高度1.0~1.9m,沿车宽方向，雨水强度分布仿真结果。
图9 不同截面上雨强分布云图
经试验及仿真分析，5x6喷嘴阵列可提供沿车身方向距喷口1.4m~1.9m，距地高度1.2m~1.4m空间区域内雨水强度指定及分布相对均匀的雨水环境，适用于空间区域范围需求较小场景。
4 据已知雨水强度分布及形态变换与喷嘴阵列的关系，换装优化后的喷嘴阵列5x20（喷嘴呈5行20列均匀布置，行距0.12m,列距0.1m）状态，重复上述方法，如下图所示距喷口2.0~3.5m距离，跟地高度1.0~1.9m,沿车宽方向，雨水强度分布结果。
图10 不同截面上雨强分布云图
经试验及仿真分析，5x20喷嘴阵列可提供沿车身方向距喷口2.0m~3.5m，距地高度1.0m~1.9m空间区域内雨水强度指定及分布均匀的雨水环境。根据风洞实际可布置位置(后视镜距喷约2.5m)及关注区域（沿车身能覆盖引擎盖后段至B柱,约1m；沿车高能覆盖后段至车顶，约0.6m)，适用于大部份常规车辆需求。
4. 案例分析
1 某车型市场反馈，大雨天气中速工况，侧窗视野区积水，严重影响驾驶员视野。企业通过环境风洞降雨环境完美复现，再风险评估高速工况（中速80km/h，高速120km/h、大雨-雨水强度35mm/min、雨水直径0.75~1.5mm）
图11 试验状态侧窗雨水沾湿示意图
2 某城市公交，大雨天气，后视镜镜面积水，严重影响驾驶员视野（车速40km/h、大雨-雨水强度35mm/min、雨水直径0.75~1.5mm）；通过优化后视镜造型及布置形式，显著降低了后视镜镜面沾湿面积占比（镜面雨水覆盖面积/总面积），如下图所示。
图12 仿真优化前后，后视镜雨水沾湿示意图
图13 上图仿真两个状态后视镜雨水沾湿(累积、实时检测)统计结果
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