乘用车涉水性能的评价

车辆的涉水问题主要是研究车辆在相对低速状态下行驶在相对较深的有水路面时的情况，在这种情况下，最重要的是保证车辆Original Equipment Manufacturer (OEM)的完整以及正常工作，例如保险杠稳定性，发动机下盖板，进气系统，电子控制系统。在进行车前部和发动机舱底部的设计时，尤其要考虑水位的高度以及水的入射情况。一旦有水流进入进气系统后，部分水就会最终进入到发动机气缸内对整车运行有很恶劣的影响。

利用CFD仿真的方法在车辆开发初期指导车身水管理设计是一种有效且低成本的方法。这篇文章讲述了利用CFD仿真的方法分析和评估涉水时入射水对于进气系统的影响。并将涉水试验和仿真进行对比。在仿真和试验分析后，我们会提出一些改进方案，以提高乘用车在涉水时的表现。

车辆涉水时的表现越来越受到重视，也有许多研究人员利用试验和仿真分析对车身涉水情况和涉水表现进行了研究和总结。本文要关注的是车辆涉水时发动机舱进气系统的工作状态以及受到的影响，并针对其工作状态的具体情况提出一些改进方案。

首先介绍一下在涉水数值仿真当中常用的几种模型。在车身的水管理的数值模拟当中，会用到两相流的模型，其意义是两种互不相容流体在流场当中的相互作用。拉格朗日模型：该模型作用时，离散的相将会被包裹属性代表，这种模型适用于两种流体其中之一在整个流场内占比极大的情况。欧拉多相模型：这种模型会求解每一相的连续方程、动量方程和能量转换方程。VOF模型：该模型适用于两种或多种连续流体介质在流场中存在的情况，并且会准确地利用F函数捕捉两相之间的运动交界面。DEM模型：这种模型是拉格朗日模型的一种拓展形式，它并不是利用传统的包裹方法处理离散的相，而是具体考虑离散相个体之间的相互作用。液膜模型：准确捕捉壳区域上的液体面积，并根据液膜厚度估算边界层的速度。

综合来看VOF模型是比较适合研究涉水的一种模型，它适合处理水和空气这两相之间的宏观交界，并较为准确地进行量化分析。

在本次研究中，我们选用整个车身进行仿真，将几何数据导入软件Star CCM+。针对我们的关注区域设置体网格加密区域。流体和压力区域的求解由非定常的斯托克斯公式来求解。质量方程，动量方程，能量方程，湍流质量以及每一相的体积分数会同时得到求解。




上图为数值仿真求解器的设置。

上图为数值仿真的边界条件设置，入口边界由两相共同组成。为了对涉水问题进行量化分析，在计算域中预先设置了水相的体积分数。仿真的大体流程如下图所示。



在涉水试验方面，对Suzuki Ltd进行了涉水试验，试验的整体设置如下图所示。汽车以固定速度进入涉水路面，在此期间我们会对车辆的两个方面进行检测和评估，即射入进气系统的水流以及发动机气缸内的压力。我们同样会对进气的质量进行监测，因为根据这项监测数值我们可以知道是否有水流或者有多少水入射到进气系统当中。同样的，我们会对发动机气缸内的压力进行监测，从而得知是否有水流或者有多少水入射到气缸内部，水进入到气缸的多少便由气缸内的压力损失来体现。而在CFD仿真当中，水是否入射到气缸内，则由进气系统外部水体积分数总量来确定。在试验或者仿真中，若入射水流达到我们的标定极限值，则认为该设计方案NG（not good）。另外在涉水试验和仿真方面，我们有10%的容差。



首先对经典模型进行分析，经典模型的通气口布置是在前进气格栅的后面，其开口面向车辆的行进方向，该模型的细节如下图所示。



在汽车涉水过程中，首先与水接触的是前保险杠和进气格栅，所以，针对这两处的改型例如保险杠格栅的开口方向，表面曲率以及外形线的改动都会使得涉水表现发生一些变化。在CFD当中车辆涉水情况随时间的变化如下图所示。



可以看到在车辆刚刚入水时，水位会突然上升，出现飞溅的水流。针对这一特点，我们可以想到，若前保险杠的曲率变大的话，飞溅水位便会随之降低，反之亦然。接下来，在车辆以不变的速度平稳行驶时，即仿真的后半段，涉水情况看起来并没有太大的变化。

车身前保险杠曲率对于车辆涉水之初的表现是有一定影响的，除了这方面的影响，我们最主要的设计评价标准是水流是否入射到发动机气缸内，下面我们选用标量截面图具体进行分析。

在涉水之初的0.5s之内，水流并没有入射至通气口。随着时间的推移，水位慢慢上涨，发动机处的水位最终会上涨至危险高度。由标量图可以明显看出，在涉水1.0s至2.0s时，水流会由于正向压力的存在被推至进气口，并进入到气缸内部。当车辆逐渐平稳行驶时，则几乎没有水流会入射至发动机气缸内。这样，我们可以得到一个结论，那就是进气系统在发动机舱内的布置位置以及通气口的开口方向对于车辆涉水表现是很重要的，然而我们同时还要考虑到进气的清洁性、进气噪声以及由于改变进气口方向和改变进气系统位置造成的进气压力损失。



上图显示了水流进入到发动机气缸时的连续相流率，在图中我们可以看到峰值流率出现的时间，另外通过积分可以得到每一时刻的发动起气缸内水量的值。

通过上面的分析我们得出了几个对于车身涉水表现有明显影响的因素。接下来针对这些因素我们做出几种设计方案并对其涉水表现以及其与原始方案的差别进行评价。

首先，在第一种改型方案中，我们对进气通气口的方向进行了改动，分别改型为下图所示的Model1和Model2。布置为模式1时，气缸进水量会大于模式2，因为其设置方向正对车辆的前进方向。反观模式2，这种模式会阻挡大部分正面入射的水流。

下图显示了在时刻为1.3s时模式1和模式2的水流入射情况，可以明显观察到，模式2布置的方案中并没有直接进入通气口的水流。



下图展示了两种布置模式水流入射情况的量化分析图，可以看到明显的差别。



在第二种改型方案中，我们将进气通气口的位置进行了改变。在之前的试验和数值模拟中我们发现，发动机舱内的水流在不同位置有不同的水位高度分布，即水位不是处处相同的。在涉水过程中，高水位往往出现在由于大体积产生阻塞的部分，例如发动机机体、进气系统和排气系统等。第二种改型方案的两种模式如下图所示。



可以看到，模式3中通气口和进气系统的位置设置在了-BL的某位置，而模式4中的通气口和进气系统设置在+BL的某位置。



上图为发动机舱A-A截面的水体积分数图像，对于模式3我们可以看到，由于通气口置于-BL某位置，且该位置位于引擎周围区域，由于引擎部件（发动机机体，进气总成，排气系统）存在很大的阻塞作用，使得该位置的局部水位较高。两种模式的量化对比图可以由下图看到。



在本次研究中，我们提出了涉水CFD仿真的流程并实现了与试验对照10%以内的误差值。另外我们对影响车辆涉水表现的几个因素进行分析，并通过几个典型模式具体分析通气口位置、通气口开口方向、前保险杠造型等的影响。