CAERI风洞丨整车环境风洞风雨场探究

中国汽研风洞中心自2023年成立汽车先进水管理创新工作室，致力于开展汽车水管理领域前沿科技研究。经过近两年的探索发展，工作室在风洞降雨测试技术、基于SPH方法的复杂流体仿真技术等方面取得阶段性成果。下面将以分期分享的形式，对相关成果进行详细介绍。

一、概述

试验模拟技术中，风雨场是一种模拟自然风雨环境的试验装置、场景，它结合了风洞技术和喷雨装置，可同时产生风速和降雨效果[1]。验证车辆在雨天时的雨污防护性能和车窗视野性能等试验场景中，降雨喷头会均匀布置在风洞出口处，水速方向和风向平行，以获得更加均匀的风雨场。目前，汽车风洞中普遍使用“喷雨”机构布置方式，但是此布置方式与自然降雨环境差异较大，难以凭借水文和水力特征定义降雨强度特征。因此，对应雨滴与测试对象之间的相对速度，以及雨滴速度分布均匀性成为特别关注的因素。

为了对环境风洞试验室中的“喷雨”机构的建设和优化提供参考，中国汽研通过采用PIV（粒子图像测速）技术，对喷雨式风雨速度场进行了精密测量，精确捕捉了环境风洞内雨滴粒子随气流运动的速度变化与空间分布特征。

二、中国汽研环境风洞试验室

中国汽研环境风洞试验室为3/4开口式回流风洞，试验段长宽高分别为：18 m×13 m×8 m，风洞内来流速度0～200 kph可调，湍流强度≤1.5%。为实现逼真的“喷雨”模拟效果，试验室优化了原有降雨格栅结构，集成了72套快插型实心锥喷雾喷嘴，在标准驱动水压下，能够稳定地生成120°的实心水锥面，从而精准模拟降雨场景。

图1   中国汽研环境风洞试验室“喷雨”机构

三、实验装置

图2  PIV测量试验现场

本次实验采用PIV测量系统由200 mj双腔双脉冲激光器，激光器片光源，PCO edge 5.5M跨帧相机，分辨率2560×2160，时序同步器及PIVview等相关配套软件构成，配置参数如表1所示。

表1  PIV系统配置

四、工况设置

在风洞实验室中主要通过喷射气流的带动作用形成风雨场环境，车辆保持静止状态，通过调整来流速度来复现不同车辆行驶状态。为全面探究风洞常规试验场景的风雨场速度分布情况，本次实验设置风速工况：60 kph、80 kph、100 kph、120 kph、160 kph。

图3  PIV测量位置示意图

如图3所示，PIV系统的图像采集点布置于距离喷口X=2.2 m~3.8 m、高度Z=1 m~2.4 m的平面区域内，基本覆盖大部分乘用车从进气格栅至风窗顶端的空间区间。另外，为补充环境风洞中风雨场的空间分布数据，测量过程中进一步在Y=0 m、0.8 m、-0.8m三个特征平面上分别进行采集测量工作。

五、试验结果

图4    PIV拍摄的雨滴粒子运动图像

试验测量结果在pivview软件环境中进行后处理计算流程，实现了判读区域设置、FFT互相关性分析、后处理优化、数据输出等处理步骤，相关结果如下：

5.1 雨滴粒子速度分布

图5   雨滴粒子速度分布场@60kph

图6  雨滴粒子速度分布场@80kph

雨滴粒子在喷射气流的“携带”作用下沿X轴方向逐渐远离喷口，其运动速度呈现“渐进式”增加趋势。

图7   雨滴粒子与气流速度差异分布

如图7所示，雨滴粒子与气流之间的速度差异显著，但此差异随着X轴方向上与喷口距离的增大，以及雨滴粒子持续加速，而逐渐趋于减小。

5.2 雨滴粒子速度分布均匀性分析

图8  雨滴粒子速度分布均匀性分析@60 kph

图9  雨滴粒子速度分布均匀性分析@80 kph

如图8、9分别列出了常用工况下中各平面的速度对比情况、并引入了速度变异系数*（系数越小说明一致性越佳）作为评估指标，Y向速度分布的变异系数≤4.1%，Z向高度上雨滴粒子速度分布变异系数均小于等于5%。

*变异系数即标准差与平均值的比值，用于衡量数据离散波动性。

六、说明

中国汽研环境风洞试验室应用PIV技术测量风雨场速度，精确捕捉雨滴速度分布，提出了空间雨场内速度均匀性的评估方法。根据本次测量结果，雨滴粒子越靠近X向下游位置，其速度与风速的差异率越小（≤15%@X=3800）。同时，X向下游位置雨滴粒子在Y向的速度分布也展现出良好的均匀性，为车辆在“喷雨”式风雨场中的安装设置提供了数据支撑。

同时，中国汽研面相行业推出了PartoX复杂流体环境仿真软件，采用基于新型SPH无网格方法的求解器，适用于任意复杂壁面和界面的流动问题，能够完美覆盖整车及部件水管理开发典型场景。基于此项PIV测量结果，得到风洞试验场景下的真实风/雨速度场及负载、雨滴粒径及分布结果，用于定制雨水模型、映射及修正表面张力、气动力负载模型等，确保仿真分析与试验测试结果一致性。

下期分享将展开PartoX复杂流体环境仿真软件的涉水场景（耦合结构强度）案例介绍，敬请期待!

参考文献

【1】 Liu Q , Liu H , Zhou Q ,et al.Numerical research on rain field intensity and uniformity of a high-velocity rain wind tunnel[J].IOP Publishing Ltd, 2024.DOI:10.1088/1742-6596/2820/1/012073