白玲 曾昌明 張立玲 謝立穩(wěn) 王利利

（1.北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

主題詞側窗雨水管理 A柱漫流 計算流體力學仿真 風洞試驗

1 前言

側窗雨水管理關注雨天行車時前風窗玻璃表面的水在刮水器作用下越過A柱，在側窗形成的水流對側窗視野的影響。在早期，側窗雨水管理性能開發(fā)主要依靠試驗驗證和經(jīng)驗總結。但實車測試階段外造型設計方案已經(jīng)鎖定，無法進行調(diào)整。因此，計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真方法在早期的介入非常必要。

國外對側窗雨水管理的研究較早，Kenneth J.Karbon 等最早利用Star-CD 軟件模擬了汽車前風窗液膜溢流到側窗的現(xiàn)象，但無法準確模擬刮水器運動和液膜從壁面的脫離。Hervé Foucart 等利用Powerlow 和N3S相結合的方法進行了仿真分析和風洞試驗驗證，但由于N3S 處理動網(wǎng)格難度較大，無法模擬刮水器的真實運動。此后，Adrian P.Gaylard 和Jonathan Jilesen 等先后在PowerFLOW 軟件中開發(fā)了粒子模型、液膜和刮水器運動模擬模型，計算了A 柱漫流現(xiàn)象，并在風洞中進行了對比驗證，但由于風洞入口寬度較小，導致流場穩(wěn)定性差，氣流對側窗水流運動軌跡產(chǎn)生的影響難以評估。近年，國內(nèi)開始關注側窗雨水管理問題。廖庚華等針對轎車側窗雨污問題進行了數(shù)值仿真研究，但仿真與試驗的邊界條件并不對應，僅進行了粗略的現(xiàn)象對比。

本文旨在通過CFD 仿真和環(huán)境風洞試驗相結合的方法，探討CFD 仿真分析在側窗雨水管理中的作用。通過CFD瞬態(tài)仿真，分析在刮水器周期性運動作用下，前風窗玻璃水流越過A 柱后在側窗的運動形式和分布情況，并通過CFD穩(wěn)態(tài)分析方法對比不同A柱設計方案對A 柱關鍵區(qū)域的流場影響。通過實車在環(huán)境風洞中的測試，驗證不同A柱設計方案對側窗視野區(qū)雨水分布的影響。

2 側窗雨水管理CFD分析

2.1 CFD瞬態(tài)分析建模

車輛的網(wǎng)格建模利用Hypermesh 進行，CFD仿真分析軟件采用Star CCM+14.04。除車輛的3D 數(shù)據(jù)外，仿真建模還需要詳細的刮水器數(shù)據(jù)，以及刮水器旋轉(zhuǎn)軸位置和最大行程位置。

建立整車模型，在A 柱、側窗、三角窗周圍，需保留車輛局部的導水槽等細節(jié)設計特征，該區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2～8 mm，車輛其余外表面網(wǎng)格尺寸為8～16 mm，同時在車體外表面設置5 層棱柱形邊界層。A 柱周邊結構的網(wǎng)格設置如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格設置示意

仿真所用風洞尺寸完全按照實際測試所用的環(huán)境風洞尺寸進行設置。計算域尺寸如圖2所示，車輛前軸與風洞入口距離3.5 m。噴水裝置及其與出風口的相對位置如圖3所示。噴水裝置呈3排矩陣形排列于出風口后方，在同一豎直平面上，每排管道分布4個噴嘴，間距為650 mm，噴水設備中心離地高度1.49 m，仿真邊界條件如表1所示。

表1 仿真設置邊界條件

圖2 風洞計算域示意

圖3 噴水裝置示意

Fluid Film模型用于模擬汽車表面的雨水流動。該模型假設：薄膜厚度遠小于車輛的特征幾何尺寸（曲率半徑），這一假設對汽車的大多數(shù)表面區(qū)域有效，但可能在非常尖銳的拐角處（例如后視鏡的后緣處）不適用；薄膜中的液體流動為層流，速度為線性；作用于液膜的慣性力和靜力學效應可忽略不計，且外界氣流速度遠大于液膜流速。

2.2 動網(wǎng)格計算方法

2個刮水器單獨設置動網(wǎng)格區(qū)域，動網(wǎng)格域包含刮片。將刷水器的幾何特征簡化，只保留雨刮片，但需要保證刮片的長度與設計狀態(tài)一致，進而保證刮水器在運動過程中與實際刮片的范圍一致。將刮片簡化為寬5 mm 的長條狀，駕駛員側雨刮片長度為527 mm，副駕駛員側雨刮片長度為340 mm，如圖4所示。

圖4 雨刮刮片簡化模型

2 個雨刮片分別包含在2 個動網(wǎng)格域中，駕駛員側動網(wǎng)格域尺寸為580 mm×64 mm×30 mm，副駕駛側動網(wǎng)格域尺寸為380 mm×64 mm×30 mm，動網(wǎng)格域與前風窗玻璃貼合的面設置為交界面，與玻璃進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)對玻璃表面的刮刷作用，如圖5所示。

圖5 刮水器動網(wǎng)格域示意

刮水器運動的轉(zhuǎn)速為60 r/min，通過傅里葉變換，擬合出雨刮旋轉(zhuǎn)運動的速度矢量公式為：

式中，為無量綱系數(shù)，取值范圍為4～5，需要根據(jù)刮水器實際運動行程進行調(diào)試，本模型經(jīng)過調(diào)試，取=4.05時，刮水器最大行程與設計狀態(tài)位置一致；為時間；為雨刮運動的頻率，本文計算取頻率1 Hz；為玻璃表面任意一點在以旋轉(zhuǎn)軸為原點的坐標系中的位置向量；為玻璃表面任一點的單位法向量。

駕駛員側刮水器運動的速度矢量如圖6所示。

圖6 駕駛員側雨刮在不同位置的運動速度

2.3 A柱漫流瞬態(tài)仿真

因仿真耗時較長，計算時長僅為7 s。=0 時刻，噴嘴開始噴水，刮水器開始周期性運動。圖7展示了側窗水流從開始形成到計算結束時刻的變化過程。=2.5 s時刻，刮水器第3 次運動到最大位置時，側窗開始出現(xiàn)水流。隨后，每次刮水器運動到最大位置，均有部分水流越過A 柱到達側窗。到達側窗的水流在重力作用下向下流，隨后在車身側面風的作用下向車體后上方運動，在側窗上形成一條覆蓋范圍基本穩(wěn)定的斜向上的點狀水帶。

圖7 側窗液膜變化過程示意

通過分析刮片運動到最大位置以及隨后A 柱附近的水流現(xiàn)象，對A 柱漫流的機理進行分析。如圖8 所示，當刮水器正好運動到最大位置時（=6.5 s 時刻），液膜在雨刮作用下被推擠到A柱附近，部分液膜發(fā)生飛濺形成液滴（1 區(qū)所示的粒子），在風的作用下運動到車頂，另外一部分液膜已經(jīng)越過A 柱與前風窗玻璃的臺階，發(fā)生溢流（2區(qū)所示液膜）；隨后，盡管刮水器開始向下運動（見圖9，=6.65 s 時刻），但是2 區(qū)已經(jīng)發(fā)生了溢流的液膜在慣性作用下，繼續(xù)向A 柱外側運動，到A 柱與側窗的交界處后，部分液膜在邊緣處受到風的剪切作用發(fā)生液膜剝離，形成小液滴在風的作用下運動到后上方脫離車體表面，另外一部分液滴在重力作用下流過A柱與側窗的凹槽后繼續(xù)向下流動到側窗，且在向下流動的過程中，液膜逐漸變薄并且分散成小股的水流，這些細小水流對風的剪切作用敏感性很高，受到風的托舉而停止向下流動，而是向后上方流動，最終在側窗形成了斜向上的點狀水帶。

圖8 t=6.5 s時刻液膜

圖9 t=6.65 s時刻液膜

2.4 A柱結構優(yōu)化及流場分析

由于涉及的物理現(xiàn)象比較復雜，A柱漫流現(xiàn)象的瞬態(tài)CFD 仿真所需計算資源較大。以上述整車計算為例，320 個CPU 并行計算7 s 時長需要240 h 左右的時間，在設計前期進行多個案例的對比分析耗時太久，計算模型調(diào)試也較為耗時。

改善側窗雨水管理性能，一方面要降低A 柱溢流量，另一方面應通過改善A柱設計來優(yōu)化側窗水流的分布，盡可能降低A柱溢流對側窗視野區(qū)的影響。對于絕大部分車輛，A 柱溢流現(xiàn)象無法徹底避免，而越過A 柱的周圍水流的運動軌跡，除刮水器的推擠作用外，最主要的影響因素是流場。因此，通過A柱結構優(yōu)化改善周邊的流場非常重要。

CFD 穩(wěn)態(tài)流場分析計算方法成熟，計算效率高，適用于前期大量優(yōu)化方案的分析驗證。

A 柱形狀是影響A 柱周邊流場的重要因素。如圖10所示：A柱截面位置①處，若氣流分離引起的負壓過大，會吸附導水槽1 處的水流，使得更多的水流越過A柱；A柱截面位置②處負壓過大，會導致導水槽2內(nèi)部的水流被負壓吸出導水槽，然后在風力的作用下落在側窗上。

圖10 A柱截面關鍵位置分析

本文對比分析了3種A柱設計方案，方案差異在于A柱弧面形狀不同，如圖11所示。

圖11 優(yōu)化方案示意

對比3種A柱設計方案在A柱位置①和位置②處的負壓分布，結果如圖12所示，與原狀態(tài)相比，優(yōu)化方案A柱內(nèi)側邊緣負壓明顯減小，且優(yōu)化方案2優(yōu)于優(yōu)化方案1，相應地，優(yōu)化方案2負壓對水流的吸附作用也明顯減小。而A 柱內(nèi)側邊緣是被刮水器推擠到此處的大量液膜聚集的位置，如果A 柱內(nèi)側邊緣負壓大，會吸附更多的水越過A 柱到達側窗，如果A 柱內(nèi)側邊緣負壓小，水流會更多地在風速作用下沿著A柱內(nèi)側向車頂流動。

圖12 A柱壓力系數(shù)對比

A柱外側流線對比如圖13所示，原狀態(tài)A柱外側氣流形成范圍較大的縱渦，氣流位置靠下覆蓋了側窗視野區(qū)較大面積；優(yōu)化方案1 和方案2 的A 柱外側氣流貼著A 柱外邊緣向上向后流動，尤其是優(yōu)化方案2 中A 柱邊緣流線渦流范圍明顯減小，且在視野區(qū)邊緣。

圖13 A柱外側流線對比

從上述對比可以看出，優(yōu)化方案2為上述3個A柱設計方案中的最佳方案。經(jīng)過A柱形狀優(yōu)化后，三角窗區(qū)域的流場也有所改善。三角窗位于主視野區(qū)的正前方，該區(qū)域周圍流場對于側窗雨水管理性能影響也很大。如圖14所示，由于A柱整體結構的優(yōu)化，三角窗正前方a處A柱發(fā)生氣流分離的位置和三角窗與側窗交界處氣流發(fā)生分離的b處的負壓均明顯減小，也有利于減小這些區(qū)域?qū)χ車鞯奈阶饔?，從而減少到達側窗的水流量。

圖14 改善前、后三角窗周邊壓力

3 環(huán)境風洞試驗

環(huán)境風洞試驗采用與仿真相同的邊界條件。取刮水器第7 次運動到最大位置后回程的時刻（=6.65 s）進行分析，如圖15所示，在A柱內(nèi)側的1區(qū)，同樣有部分液膜由于刮水器的快速推擠作用發(fā)生飛濺，向后流到車頂，另外一部分被推擠到A 柱的液膜，在圖15 中的2 區(qū)發(fā)生了A柱漫流，漫流流至A柱與側窗之間的密封條凹槽內(nèi)，沿凹槽向下回流，在3區(qū)再次發(fā)生溢流到達側窗，在側窗上受到風的托舉作用形成了斜向上的水帶。

圖15 t=6.65 s時刻側窗液膜形態(tài)

通過仿真與試驗結果的對比可知，仿真能夠模擬A柱附近1區(qū)的飛濺，也能夠預測發(fā)生A柱溢流的位置在2區(qū)，但未捕捉到溢流水流在A柱與側窗之間密封條內(nèi)的回流現(xiàn)象，原因是密封條在車門關閉狀態(tài)下的內(nèi)部結構復雜，仿真建模無法準確體現(xiàn)該結構，另外細小結構內(nèi)部復雜的固、液、氣三相的相互作用機理本身比較復雜，影響因素較多，CFD仿真方法也需要進一步優(yōu)化。

圖16 所示為2 個優(yōu)化方案的試驗結果。通過與圖15原狀態(tài)測試結果對比可知，方案1和方案2通過優(yōu)化A 柱結構，不僅能夠減少A 柱溢流量，而且改變了側窗水流的分布形態(tài)，使得水流對視野區(qū)的干擾明顯減小，尤其是方案2 中，側窗水流貼著視野區(qū)邊緣流動，對側窗視野區(qū)的影響基本可忽略不計。

圖16 優(yōu)化方案試驗結果

對比圖16 和圖13，可發(fā)現(xiàn)側窗水流分布情況與A柱邊緣處流線的走勢一致，說明側窗水流的分布與A柱邊緣處的氣流走向密切相關。

4 結束語

本文通過CFD 仿真分析和試驗對比驗證相結合的方法，研究了A 柱漫流現(xiàn)象對側窗雨水管理性能的影響，同時分析和驗證了改善該項性能的方法，表明A 柱漫流的CFD瞬態(tài)仿真能夠模擬出A柱漫流的位置，以及側窗氣流對水流的影響，CFD穩(wěn)態(tài)分析能夠?qū)柱結構優(yōu)化方案引起的流場變化進行分析，減少關鍵區(qū)域的負壓對水流的吸附作用，改善側窗氣流分布，有助于在早期設計階段對側窗雨水管理性能進行控制。