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车身侧后污染的数值研究
2018-04-17 19:44:19· 来源：AutoAero
车身侧后方污染成为了备受关注的一个方面。在传统意义上，车身污染在汽车空气动力学中并不是很主要的方面。然而，现如今车身上越来越多的传感器和摄像头的出现使车身清洁的保持变得有必要。如果不将水污染情况考虑在设计过程当中的话，用户的体验将会大打折扣。
摘要:
车身侧后方污染成为了备受关注的一个方面。在传统意义上，车身污染在汽车空气动力学中并不是很主要的方面。然而，现如今车身上越来越多的传感器和摄像头的出现使车身清洁的保持变得有必要。如果不将水污染情况考虑在设计过程当中的话，用户的体验将会大打折扣。
这篇文章中涉及到的几个造型（包括轮辋设计，扩散板和扩散器刀锋）会对车身侧后部分的水污染情况产生一定的影响。
引言：
从传统上讲，减少后表面污染的主要途径是使空气远离边界层流体，因为这样会减少击在车身背部的飞溅液滴。然而，这种设计的代价也是很大的，它会在一定程度上提高车身的气动升力和行驶阻力，因此依赖于这种原理的设计很少被采用。
这次研究通过一些操作来理解车身侧后污染并量化它，目的是为了能阻止这些污染分配到一些车身敏感区域例如车后的摄像头位置。
物理机制：
车身后部污染的主要来源是后轮的液滴飞溅。轮胎的液滴飞溅又可以分成四个方面：弯曲飞溅；侧面飞溅；胎面粘连；毛细粘附。其中前两种飞溅形式会使液滴很快地落至路面上，因此这两种飞溅方式在本次研究里并需要注意，另外两种形式将会出现在我们的数值模拟之中。
尾流结构和飞溅方式
车身模型
边界条件设置：
在仿真模型设置中选用了低阻塞风洞，在入口处设置统一的空气流速和湍流模型，上壁面和侧壁使用滑移壁面，出口选择压力出口。其中入口的气流速度为30m/s，湍流密度为1%，湍流长度比例为5mm。地面设置为有速度的运动地面，汽车轮胎被定义为光滑旋转壁面，角速度为82.3rad/s。为了模拟液滴，质点的特性被设置成水模式，密度为1000kg/m³，粘度为0.001Pa.s。液滴将会从轮胎表面释放，液滴的初始速度为轮胎转速，速度的最大值近似等于入口速度并有小幅的自由度（5m/s）。
几何改型方案：
这次研究中涉及到三种几何改型，车轮的轮辋处的改动会使其有风扇的效果。
轮胎改型
基线设计出现在上图的a）中，改型的前后轮胎为上图中的b)和c)，d)为其剖视图。改型的效果是利用轮辋的煽动效应使车前轮辋处产生一个外流的效果，而在后轮轮辋处产生内流的效果。
尾部改型
另外的改型出现在车的底部，上图中a)为基线设计，b)的改型加了两侧的底板以及扩散器的刀锋，c)中只加了扩散器的刀锋。这两种改型设计的目的在于减少横向流。
尾部改型
上图中的黑线代表着基线设计当中的扩散器形状，粉色线则代表着改型后的。
数值模拟结果：
1.空气动力学结果：为了去准确理解和分析车身污染的结果，我们首先需要先了解到改型对于空气动力特性的影响。以下几幅图为四种改型方案所给出的仿真结果。
尾部压力图
车身后表面的污染与后表面的基础压力有着紧密的联系，上图展示了几种方案的压力云图。从结果可以看出，扩散器刀锋对后表面压力分布的影响最为明显，有了扩散器刀锋之后，后表面的中心部分会形成更集中的高压区域，后车窗部分的压力也明显的增大了。总的来说，扩散器刀锋使汽车的风阻系数值降低了3count。对于基础压力来说最差的改型方式为后轮的内流轮辋设计，这项设计减小了汽车后表面的压力，但使风阻系数值上升了21count。
想要明白这些改型如何影响到后表面基础压力还要对后部的流场结构进行分析，下图为几种改型模型的车尾部流线图。
尾部流场图
由上图可以看出，所有的设计方式都会在中心部位存在一个强烈的下行的流线，这主要是因为内流轮辋的原因。
尾流结构侧视
从上图车身侧面流线图可以看到，对于扩散器的改动是十分有效的，这项改动稳固了后部涡流的较低位置，形成了更为平衡的尾部流场，从而在该区域形成相对较大的压力。
2.液滴质点模拟结果：
后部液膜厚度的标绘让我们能够将几个设计进行量化的比较。尾部液膜的图像如下图所示。
尾部污染
可以明显地看出，虽然后部污染的总量很难大幅减少，但是通过改型的方式可以改变车身后部污染的分布。这一点是很有意义的，因为在车身上某些部位的清洁会比其他的部位的清洁更加重要，例如，车后部的牌照位置相对而言有更多的保持清洁的必要，因为要一直保持其可见度，而且倒车影像的镜头也通常会在这个位置。为了进一步在这方面得出结论，我们将车身的后表面划分并分别定义为后风窗，后车灯以及牌照区域。我们会发现，当我们利用这种方式去评价的时候，内流后轮辋会在后车灯处产生更多污染但是会在牌照位置减小污染。对于扩散器的改型反而会比基线设计在牌照处产生更多的污染。扩散器刀锋在所有改型中会产生最多的后风窗污染。
本次数值模拟使我们可以量化污染量（车身后部液膜体积量）并加以分析，下图为几种改型设计在牌照处产生的污染量的图线。
从图中可以看出，扩散器刀锋的设计在牌照处产生的污染会在短时间内产生极速的增长，最终到达一个极大的值。内流外流的轮辋设计会产生的牌照处的液膜体积是最小的，且液膜体积的增长趋势与基线设计是十分相近。
后风窗处的污染情况显示在上图，扩散器的刀锋设计有最差的污染表现并伴随着20%的后风窗的污染增长。长地板的设计则有着良好的表现，其产生的污染甚至比基线设计还要少。内流轮辋设计使后风窗污染量相对于基线值降低了近20%。
在后车灯处的污染情况与前两处区域存在着极大的不同。如上图所示，内流轮辋模拟中，相对于基线设计在车灯区域产生了几乎两倍的污染量。扩散器刀锋设计在车灯处的污染情况与基线设计相近，但是也可以看出，这种趋势是难以保持的，因为在模拟的末端，扩散器刀锋设计产生的污染量的上升速度极快，而且看似最终会超过基线设计的污染量。最后，长底板的设计会大大优化尾灯处的污染情况。
最后，整个车身后表面的污染情况体现在上图，可以看出，内流轮辋设计是最差的设计，但其他几种设计在整个后表面区域内并没有显示出太多的不同
讨论：
基础压力经常被当做车身后部污染的重要参照，即车尾高压区会有更多的污染量，这篇文章证明了这样的预判是并不完全准确的，这一点通过上文的压力图和质点分布图便可看出，其中的两种设计在相对于其它方案的更低压力区域产生了更多的污染。这种情况的产生可以归结为基础尾流分布的原因。一种能够观察这种结构的方法就是建立压力的等值面。下图展示了上文所说的基线设计与排气口刀锋设计的压力等值面图。
对比两种设计的云图，可以看出扩散器刀锋设计拥有更平衡的基础尾流场，这样的平衡基础流场是由于扩散器平滑设计带来的气动阻力的优化，这样的设计同样可以改变尾流处涡流上翻的结构。
长底板设计同时减小了后风窗和车牌照处的污染，这主要是通过使底部液滴原理尾涡中心来实现的。
总结：
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