車身後部水污染參數研究

車身的濺水污染主要可以分為三個主要方面，即降水污染，自身車輪濺水污染和其他車輛濺水造成的污染，本次推文的主要研究內容是其中的自身車輪濺水污染。自身車輪濺水污染的可控性較高，可以通過改變局部車身造型來實現對汽車行駛時周圍的流場進行改變，進而減少車身某部位的污染或者合理分配污染區域。

車身的背部是水污染的重災區，一方面是由於尾流使飛濺液滴不斷附著在車身背部，另一方面車身尾部車窗區域、牌照區域都有極大的保持清潔的需要。在現階段背部污染的研究中一個難題是並沒有系統的、明確的對於背部污染的控制參數的存在，也即無法系統地去評價整個的污染現象以及污染程度。試想若能夠在車身開發的早期把對車身尾部污染的具體模式和程度考慮進去，那麼這對於整車的性能無疑是進一步的提升。本文通過試驗和模擬的方式對車身尾部具體污染模式和污染情況進行了初步的研究。

試驗設置

設備

試驗在英國拉夫堡大學風洞進行，該風洞的整體結構圖如圖1所示。試驗中的風速設置為40m/s，試驗的壓力數據經過了修正以抵消阻塞值的影響。

圖1拉夫堡大學風洞

模型

模型如圖2所示，為四分之一大小的SUV模型。該模型是比較有代表性的能夠體現一般SUV車型特點的，而且對於參數改動是十分方便觀察的。在這次的研究中，尾部擴散器處設置成無粗糙度的並設置成三種不同的向後延伸角度，°，10°和20°，行車高度固定在65mm。

圖2模型的標準視圖

圖3展示了模型的車頂尾部的三種不同的角度設置，並分別用三種不同顏色表示，灰色為°，藍色為10°，粉色為20°

圖3模型尾部幾何設置

飛濺工況的實現

在風洞涉水試驗和路面涉水試驗中都有一定的弊端，路面涉水試驗的可對照性較差，而風洞涉水試驗雖然可以獲得好的穩定性但難以構造涉水機構。為了確保飛濺機構的準確模擬的能力，試驗中用到了PDA試驗設置（也即Phase Doppler Anemometry）。PDA的具體設置如圖4所示，該設備擁有不等距的多個噴口並安裝在非流體區域。這些測試定義了飛濺的直徑區域以及飛濺的兩個分量上的速度。

圖4PDA設備

種子點設置

風洞中種子點設置的圖解如圖5所示，單獨的噴嘴安裝在後輪重心向後86mm的位置並呈斜向下45°。用一對螺線管來供電，保證各次試驗的同噴射時長從而使試驗擁有良好的重複性。這種種子點的設置也確保了液體的快速注入和停止，減少了試驗震蕩。

電離水和紫外染料為試驗中的噴射物，這也使攝像機能夠清晰地捕捉飛濺到車身上的液體。

圖5種子點設置

一些附加措施

該模型需要在風洞中運行近30s，噴嘴的噴射會持續12s，這樣的時間設置一方面是為了保留低頻尾流對於污染的影響，另一方面可以很好的防止額外的溪流的產生。在本次試驗中，我們用到Beer-Lambert Law來判定污染情況，即通過後處理圖片的熒光亮度得到對應的液體厚度（深度）數據，對應等式如下。圖6則顯示了熒光亮度和實際液膜厚度之間的線性關係。

圖6熒光亮度與液膜厚度的關係曲線

CFD模擬設置

數學模型

模擬計算採用OpenFOAM進行，連續體採用IDDES方法，用RANS方法去計算邊界層。最新修正的DDES模型IDDES模型擁有更強的處理近壁面信息的能力，另外它也允許用LES來解決一些邊界層問題，並用簡化方式去解決湍流問題。在這次模擬中，我們利用PISO來解斯托克斯方程。

計算域和邊界條件

計算網格由snappyHexMesh生成，體網格包括六面體網格和切割體網格，圖7和圖8展示了計算域和網格生成的情況。由圖7可以看到，整個計算域可以分為三個主要的體區域，中間為試驗區域，該區域的壁面設置成非滑移壁面的條件。邊界層自模型大約4.7m開始生成，這個長度是由計算域的預設長度決定的。從表1中可以看到計算域尺寸的設置。

表1

入口速度應與試驗設置匹配，設置為40m/s。在模型周圍設置了稜柱層網格區域。如圖8所示，為了準確捕捉尾部的流體流動細節，應用了足夠高的y+壁面處理功能。總的試驗網格數達到6700萬個，精度很高。

圖7計算域

圖8車身處網格設置

飛濺模型

由PDA系統收集的數據被應用到飛濺模型當中。圖9展示了由PDA捕捉的飛濺寬度，在CFD模擬當中，飛濺液滴的分布直徑設置為噴口向外10mm，噴射的錐角定義為90°，這些這隻可以保證我們能夠得到接近98%的飛濺液滴。

圖9飛濺液滴的考慮範圍

由圖10可以看出，飛濺尺寸的分配在噴嘴軸心和噴嘴錐向延伸的邊角處的量是不同的。為了在CFD模擬中模擬這一現象，我們使用十個空心錐形噴射器，如圖11所示。

圖10飛濺尺寸分配

圖11噴射器設置

圖12初始速度

PDA數據是由斯托克斯流體來確定的，在這樣的條件下初始動量會由於粘性的存在而迅速衰減。然而在風洞試驗的條件下，流體是非靜態的，因此我們需要估算一個準確的飛濺的初始動量來確定擴散器附近流體的情況。我們採用平均速度估算的方法，具體是採用離噴嘴為3mm位置的液滴運動作為初始動量的判定依據。

結論

空氣動力結論

對於涉水模擬來說，首先進行空氣動力學模擬是為了建立流場，在一秒之內流場就可以達到穩定，表2展示了三種不同的case當中的阻力和升力的數據。圖14展示了分布到車模型表面上的時均壓力。車頂後緣角度為10°和°的情況下，CFD模擬於試驗在壓力分配方面有很好的吻合度，但在另一個case中，CFD對於尾部壓力的預測比較低，而對阻力的預測比較高。不過這樣的不準確度是很小的，大約有3%左右。

圖13尾部噴射模式

圖14尾部壓力係數

車頂後緣角度為20°時，相對於試驗結果來說，CFD模擬使其低壓區更趨近邊角區域，高壓區的最大值也有一些的提高。從大體上來說，若沒有更加精確的要求，CFD模擬相當準確地預測了尾部壓力的量級和基本分布形式，其中的不準確度的存在可能是由於沒能很好地預測車頂後緣的形狀造成的氣流分離等細節。這些不準確度可以利用近壁面模型以及邊界層模型來解決。

濺水污染結果

圖15展示了分別通過試驗和模擬得到的基礎濺水形式，如圖所示，模型表面的污染通過塗色的方式表示出來，這樣的顯示方式可以方便地對不同的參數形成的不同case形成鮮明對比，另外還會使得試驗與模擬之間的對比變得容易。

在試驗結果中，污染產生了極大的分散特性，但這種特性可以被看做一種隨機特性，而且要考慮到可能是由於局部震蕩引起的。在這方面，試驗和CFD模擬的差別主要是因為模擬中設置的粒子是個體顆粒，其同相之間的交互作用並不如實際情況中完備，與實際顆粒的差距較大。即使考慮到這些不準確度，產生的污染模式還是十分明顯和易觀察和對比的。

圖15污染模式

在圖15中我們可以看到，無論是在污染集中還是分散的位置，模擬同試驗的吻合度很高。由圖中還可以看出，隨著錐角的增大，污染區域會逐漸集中至一個更小的區域，換句話說，錐角的減小會使污染區域更大顆粒更分散。在錐角為20°時，污染集中在靠近噴嘴的一側，隨著角度的減小，污染會擴及中央區域，這是因為在錐角為20°時尾流減小，這一點可以從圖16和圖17中看出，在該工況下，下行的氣流會更充分，會將尾流的中心推至更靠近噴嘴的一側，因此尾部污染顆粒在有分離趨勢之前就被捲入尾流區域甚至尾流中心，進而漫及車身後部。另外，如圖所示的尾流分離區的U形尾流結構會使飛濺液滴向尾部的兩側運動。由圖18我們還可以看到，下行傾斜的尾流與側面來流會形成循環渦流，這對尾部流動和液滴污染方式同樣有些影響。

圖16尾部飛濺顆粒分布

對於10°的傾角來說，污染會更加擴散，這種現象可以用圖17來解釋。從圖17種我們可以看到，模型頂部會有循環換渦旋產生，飛濺液滴會被抬升至中部。由於該工況下尾流尺寸的增大，污染液滴有更多的時間去發散。圖18種同樣展示了尾部後立柱處的渦旋，然而相對於20°的傾角來說就要小得多，看上去該渦旋對於尾部污染也存在一些影響但影響相對而言會小一些。除了尾部中央區域的污染，通過CFD模擬我們還發現了頂部左側的大量粒子的撞擊到模型上。

對於°工況來說，污染會集中到靠近頂部的位置。由圖17我們可以發現，在該工況下不會產生很多頂部的下行氣流，然而尾部擴散器位置的上卷渦旋依然明顯存在，這也很好地解釋了該工況污染形式產生的原因。

圖17 XZ界面渦旋形式

圖18 YZ平面的渦旋形式

圖19展示的是幾種工況當中尾部污染物含量的變化趨勢，噴射器在0s開始啟動，在

0.05s時開始產生污染，隨後噴射器在1s時停止運行，繼續在接下來的0.2s持續產生污染。對於20°和°傾斜角的兩種工況，存在高頻與低頻疊加的情況，而10°的工況則大致呈線性但也能觀察出一些高頻部分。這種情況也表明了，在沒能實現使一個低頻循環完整進行的情況下，將試驗結果和模擬計算結果相對應使並不完全可靠。

圖19污染量變化曲線

原文信息：

Published 03/28/2017

Copyright 2017 SAE International

doi:10.4271/2017-01-1511

saepcmech.saejournals.org

原文作者：

Anton Kabanovs, Graham Hodgson, Andrew Garmory, and Martin Passmore

Loughborough University

Adrian Gaylard

Jaguar Land Rover

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