基于雨水侵入分析的乘用車間接視野安全優化設計研究

王 偉，彭 婧，張 涵，林 歡

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

雨中高速行車時，由于車速導致的雨滴飛濺和雨刮刮水共同作用，側窗上的后視鏡視野區出現成股水流，駕駛員無法獲得良好的間接視野，影響行車安全和用戶體驗。2014年，泛亞技術中心用拉格朗日多相流仿真分析模型模擬只受重力作用的水流在空調進氣口附近流動的情況，并成功使用水與空氣的分型面來研究對雨刮電機的水侵入風險[1]。近幾年SUV熱潮方興未艾，整車企業已不滿足于水污染的靜態、準靜態分析，2017年英國拉夫伯勒大學與捷豹路虎公司通過氣候風洞試驗校驗了DPM離散相顆粒物模型模擬動態降雨的可行性[2]。然而時至今日，國內外學者仍未能將雨落車身時受慣性力、重力、粘附力、表面張力、風速等共同作用而形成固液氣三相耦合貼體流場的瞬態復雜物理場模型用于工程實踐。

本文以上汽通用五菱某款SUV車型為研究對象，摸索嘗試通過計算流體力學仿真分析實現側窗間接視野安全優化設計的方法。在對南方暴雨環境和全車流場進行模擬基礎上，通過數值仿真計算和試驗驗證等途徑，解決了掣肘乘用車間接視野安全的雨水污染問題，為設計需要提供理論和數據支持。

1 理論基礎

分析對象為某款SUV，周圍流體介質為空氣和水，為多相流分析；雨滴使用離散相多相流模擬，不考慮離散顆粒物空氣中的化學反應，因此采用無組分輸運的復雜多相流模型。空氣在車身周圍及A柱附近的流動以湍流為主，故采用湍流模型描述車身附近和A柱后視鏡附近的空氣流動狀況[3]。寫成歐拉坐標系下的控制方程如下：

Realizable帶旋流修正的k-ε模型的湍動能k的輸運方程：

耗散率ε的輸運方程：

其中，Gk為由平均的速度梯度引起湍動能產生，Gb為浮力影響的湍流動能產生；YM為可壓縮湍流脈動的膨脹對總的耗散率的影響。αk和αε分別為湍動能k和ε耗散率有效的湍流普朗特數的倒數形式。

近壁面的處理影響數值模擬的結果，本文不求解層流底層和混合區[4]，采用半經驗公式（增強型壁面函數）來求解層流底層與完全湍流之間的區域。

通過積分拉格朗日坐標系下的顆粒作用力微分方程以求解雨滴飛濺的離散顆粒軌道，顆粒的作用力平衡方程在全局歐拉坐標系下的形式：

通歐拉多相流模型求解液相雨水受雨刮作用沖擊導水槽和A柱形成的浪涌情況，雨水在沖擊A柱和導水槽時的表面張力：

其中：σij為表面張力系數，ρ為密度，κi為表面曲率，▽αi為液相雨幕體積分數的梯度算子。

再通過歐拉壁面膜模型Euler-wall-film求解液相雨幕繞過A柱之后的側窗流動情況，將側窗流動轉化為二維壁膜流動計算，上游質量源相耦合雨刮刮水靠近A柱端終止點所刮刷的部分雨水的液相質量。得到側窗雨幕流動覆蓋區域后，與Ramsis軟件分析得到的駕駛員后視鏡間接視野區[5]相比對，確認雨水侵入（遮擋污染）情況。

2 仿真分析及試驗驗證

2.1 仿真分析模型

對于主要的歐拉薄壁多相流（Euler-wall-film）計算區域，須要細化A柱、導水槽、外飾接縫、門縫膠條、后視鏡三角區等實體模型，以得到較好的表面速度梯度結果。如圖1所示。

圖1 主副雨刮及A柱后視鏡網格細化

建立風驅雨載荷數學模型時，考慮該車的銷售地域及應滿足全國絕大多數城市雨季雨量峰值月份的平均情況，仿真邊界為雨量峰值的極限情況，故此處認為地面附近的Kaimal脈動風速近似等于極限車速，降雨強度采用2015年國家暴雨強度計算方法。

雨滴直徑超過6 mm下落的曳力中的空氣阻力將超過水滴保持形態的聚力而分裂成較小直徑的液滴，天然降雨的直徑在0.1～6 mm之間[6]，單位體積不同直徑雨滴個數滿足高斯正態分布。單位體積空間雨滴顆粒散布散度滿足羅森-拉姆勒分布函數，使用連續雨滴直徑分布模擬實際暴雨環境中的間斷雨滴直徑分布使用。而單位空氣中的雨滴體積分數小于10%，滿足離散相（雨滴）分布在連續相（空氣）中的DPM模型使用要求。

雨刮模型為雙曲率平面上的扇面運動，將雨刮掃略區域設定為局部運動網格motion shell regions，雨刮動作設為RBM Rotation，η為雨刮最大刮水掃略頻率。雨刮刮水形成浪涌繞過A柱和導水槽使用歐拉薄壁液膜模型，雨刮刮水運動近心端與遠心端速度漸變的自定義方程文件關鍵語句如下：

……

DEFINE_PROFILE （fluid_inlet_2_velocity，thread，index）

{

real x[ND_ND];

real y;

face_t f;

begin_f_loop（f，thread）

{

F_CENTROID（x，f，thread）;

y=x[2];

F_PROFILE（f，thread，index）=-3.14*（0.61+（y-1.435）/0.583138）;

}

end_f_loop（f，thread）

}

……

間接視野區劃定偏向與關注后視鏡視野區上部受雨水侵入情況，故使用尺寸較大的95%SAE男性模型，調整姿態根據SAE J941建立眼橢圓模型，相關方法不在本文贅述，得到左外后視鏡視野如2圖所示。

圖2 S U V后視鏡間接視野區示意圖

2.2 仿真結果及分析

雨滴直徑范圍0.1～6 mm通用高斯正態分布，空間分布按照羅森-拉姆勒模型，車速為70 km/h（導水槽性能分析得出小于60 km/h雨水會隨著導水槽流向雨刮安裝版；大于80 km/h雨膜受空氣曳力作用大于重力作用液滴將平行X軸流過車身側面[7]），地面和數值風洞出入口設為雨滴逃逸表面。得到仿真分析的A柱后視鏡三角區附近的液相（雨水）所占的質量分數圖如圖3.

圖3 原始模型仿真和試驗結果對比

云圖顯示了原始模型在該車速下側窗后視鏡間接視野區完全被雨水覆蓋。雨刮下1/3，半徑小轉化的線速度較小；雨刮中部1/3與下部情況類似，但由于雨刮刮刷動作和頻率設計使得來自雨刮上部的水流受重力作用向下匯聚于此，同時由于該處有車門密封膠條填平車門導水槽，故出現了流量激增；雨刮上部1/3，由于刮水面積最大，雨水攜帶量較大，但雨水在被刮刷的同時收到重力作用，沿雨刮片流向雨刮中部，使得刮刷流量小于雨刮中部區域，但此處設計導雨槽較淺，收到A柱擾流影響較小，造成刮刷雨水飛濺，并伴隨這大股水流侵入側窗后視鏡間接視野區，對比試驗結果，后視鏡視野區的側窗玻璃上出現多條成股水柱覆蓋如圖3右所示，試驗結果與仿真結果基本一致，駕駛員側后視鏡視野區雨水體積分數在22.7%，按照超過20%將連接成水幕計算，水幕覆蓋面積為100%，幾乎覆蓋了整個后視鏡間接視野區部分，影響用戶感受。

3 結構優化及試驗驗證

雨刮刮水形成的水幕進行水流跡線分析如下圖4，途中深色跡線為流速較快水流，得知該車型雨刮下部近心端水流流速在翻越A柱和導水槽時流速較大，優化設計時需要特別關注。

圖4 原模型主雨刮刮刷作用雨滴流線圖

針對仿真分析中原始設計方案暴露出來的前擋與A柱之間的導水槽較淺，雨刮刮水在車速作用下翻越導水槽侵入側窗的問題，曾經嘗試采用切斷刮水流動路徑的方法，即增加A柱導水槽塑料翻邊防止被刮起的水幕越過A柱，減少翻越A柱的雨水流量，減小車門導水槽的工作負荷，特別在雨刮下部近心端加高加寬設計以防止攜較大加速度的雨水正在此處發生飛濺，被甩脫車體。

導水槽塑料翻邊一體成型設計如圖5所示，外擋檐平齊A柱及發蓋后緣外飾面以減小對風阻和風噪的影響，導水槽塑料翻邊深度d的確定使用多目標優化軟件進行窮舉法優化以期達到滿足截擋雨刮刮水的要求，最終優化結果如下圖6所示。

圖5 優化方案示意圖

圖6 優化模型仿真及試驗結果

如圖6左圖所示，從仿真優化結果可以看出，側窗玻璃上液相的體積分數為0，前擋雨水在雨刮的作用下流入導水槽塑料翻邊中，在翻邊的之水檐作用下被導向雨刮板的排水口，在雨刮下部近心端流速較快出現了部分溢流的現象，但側窗玻璃和后視鏡間接視野區中沒有雨刮水侵入污染跡象，能夠在該工況下保證駕駛員后視鏡間接視野區安全。通過拓撲優化得到了最小的導雨槽翻邊設計深度，避免擴大駕駛員A柱遮擋視野范圍。參考中村康提出的降雨時汽車間接視野試驗測試方法[8]，制定封閉道路水噴淋試驗，車速70 kmph，水量暴雨100 mmph，試驗結果如上右圖所示，側窗視野區雨水體積分數幾乎為零，側窗雨水侵入問題得到解決，用戶體驗得到提高。后視鏡三角區前部有部分過水痕跡但都止于側門導雨槽處。

4 結束語

利用計算流體力學理論對某SUV車的側窗后視鏡間接視野區雨水侵入污染情況進行了仿真和優化嘗試，結論如下：

（1）優化后的整個側窗均得到了有效的保護，防止了雨刮刮水繞過A柱形成的雨水污染和視線遮擋。在不改變A柱、側窗和后視鏡造型的前提下，后視鏡間接視野區在80 km/h時雨水侵入量為零；

（2）試驗驗證了優化方案的可行性，對比結果表明仿真和試驗結果一致且趨勢正確，仿真分析方法對設計開發有著一定的指導作用；

（3）運用離散顆粒物模型和歐拉薄壁液膜模型耦合計算的方法實現后視鏡間接視野區安全分析，可以在設計開發中前期對乘用車雨刮刮水對側窗間接視野區的影響進行直觀的描述和有效地評估，簡化開發流程，減少用戶抱怨，對于提升駕乘主觀感受、保障行車安全性、消除雨天行車的安全隱患等方面都具有積極的指導意義。