基于车轮飞溅的轿车车身污染模拟及控制

殷硕　陈焕明　王亚伦

摘要： 针对轿车驶过积水路面时存在的车身污染问题，本文建立了轿车空气动力学仿真模型，利用ANSYS分析了车轮溅水对车身表面的水相污染过程，探讨了不同车速下车身污染的规律，并采取几种改进措施，探索降低车身水相污染的有效方法。研究结果表明，车身侧部水相随着时间逐步向车身后部发展，水相厚度逐渐增加，覆盖范围逐渐增大，最终趋于稳定。车轮、轮腔和车轮后部区域的水相厚度较大;车身底部水相覆盖区域随着时间逐步向车身后部延伸，水相厚度随着时间逐渐增大，污染较严重区域集中在车底两侧，底盘尾部区域受水相污染较为严重;随着车速增加，车身侧部和底盘两侧区域的水相覆盖面积和水相厚度逐渐增大;4种改进模型的方法对车身侧部污染均有一定程度的改善，侧裙对前轮后部区域的污染控制效果最好，阻风板和挡泥板大大改善了后轮区域的水相污染。该研究为轿车表面清洁性问题提供了参考。

关键词：数值计算; 汽车外流场; 车轮溅水; 车速; 车身污染

中图分类号： U461.1; TP273 文献标识码： A

基金项目： 山东省高等学校科技计划资助项目（J18KA048）

随着汽车工业的发展，消费者对产品美观性的需求日益提高，汽车表面清洁性问题在整车设计研发过程中扮演着越来越重要的角色。当车辆驶过积水路面时，车轮旋转会卷起路面积水，并沿着轮胎切线方向射出，在复杂的汽车外流场环境下，轮胎卷起的水滴颗粒会对汽车外表面造成污染，使车身表面美观性受到影响。近年来，国内外学者对汽车车身污染问题进行了相关研究。J. Jonathan等人[1]采用完全瞬态粒子追踪和液膜模型对SUV车轮喷雾和车身污染进行模拟，考虑了液滴滴落现象和流体粒子间的相互作用，将仿真结果与风洞实验结果进行对比，该仿真方法与风洞实验结果较为吻合，可以准确的反映车身污染情况;A. Gaylard等人[2]利用风洞实验，研究了积水道路上行驶时旋转车轮喷出的水雾对汽车侧玻璃和后玻璃的污染情况，考虑来自轮腔和车身后部液滴的飞溅和滴落现象，发现飞溅和滴落现象加剧了液滴粒子对车身表面的污染;A. Kabanovs等人[3]利用SpalartAllmaras模型和欧拉拉格朗日方法（discrete phase model，DPM）相结合的方案，模拟了车轮溅水对车身表面的污染过程，发现完全非定常仿真方法与风洞实验的结果较为吻合;辛俐等人[4-5]采用DPM离散相和欧拉液膜模型相结合的方法，对方背式MIRA模型的车轮溅水污染问题进行了研究，得到了车轮溅水导致的车身表面污染分布云图，分析了车身的污染机理，并对车身外形进行改进，一定程度改善了车身污染问题;胡兴军等人[6]对车身部件进行了优化，并运用图像处理技术，分析了车辆表面水相分布情况，表明外形优化后的车体部件对车身水相污染有明显改善;辛俐等人[7]研究了汽车以较低速度通过积水路面时的车身水相污染问题，发现改进的车身部件使车身水相污染下降4399%;廖志涛等人[8-10]利用数值仿真方法，分析了微型客车的后背污染情况，提出了减少车身污染的具体措施;杨博[11]使用STARCCM+研究了不同网格方案对汽车外流场的影响，发现车轮附近网格质量较差，车身尾部流场对气动升力和尾部污染有明显影响。此外，在车身水相污染领域也有其他相关研究，辛俐等人[12-13]采用格子玻尔兹曼方法，研究了汽车侧窗水相分布情况，发现模型优化后水相覆盖面积下降66.2%;兰巍等人[14]对汽车后视镜尾部流场进行研究，结果表明，镜柱和镜罩的设计会对后视镜水相污染造成明显影响;李修城[15]研究了汽车空气尾流对尾气污染的影响，发现提高车速会加速碳烟颗粒成核和生长。综上所述，汽车车身表面污染的研究尚不全面，尤其是在不同车速下轿车车轮溅水导致车身污染的相关研究较少。基于此，本文建立了轿车空气动力学仿真计算模型，采用ANSYS Fluent，分析了车轮溅水对车身表面的水相污染过程，探讨了不同车速下车身污染规律，并给出了降低车身水相污染的有效方法。该研究为车身表面的清洁性问题提供参考。

1数学模型

1.1连续相模型

汽车行驶过程中的马赫数较小，其流场属于湍流。本文采用的湍流模型为Realizable kε双方程模型，相比标准kε模型，該模型为湍流粘性增加了公式，由漩涡脉动的均方差推导得到涡耗散率的输运方程，从而该模型更能反映湍流的实际物理特性，模拟较为复杂的流动问题，可以精确预测平板、圆柱射流、旋转、分离和回流等较大压力梯度的流场问题[17]。该模型的输运方程为[18-20]

1.2离散相模型

车辆驶过积水路面时，车轮卷起积水发生液滴碰撞、分离、合并和飞溅等现象，在轮胎附近区域产生水雾，属于气液两相流问题，而水雾在空气中的占比远小于10%，因此液相属于离散相，从而可以利用DPM模型对该多相流问题进行求解。DPM模型的力平衡方程为[21]

1.3液膜模型

为了使车轮溅水仿真实验的计算结果更加真实，并且可以更直观的呈现，本文采用欧拉壁面液膜模型（eulerian wall film，EWF）对车身水相污染进行捕捉。该模型质量守恒方程和动量守恒方程分别为[23]

2仿真计算模型

2.1几何模型及计算区域

本文以标准MIRA阶梯背轿车模型为研究对象，多年来该模型多年来被广泛应用于汽车流体力学研究，其风洞试验数据等研究成果也较为丰富，阶梯背式MIRA汽车几何模型如图1所示。利用PROE在原模型的基础上进行改进，划分出轮腔和完整的车轮特征，其中车轮直径为610 mm，轮腔直径为770 mm，其余尺寸保持不变。

汽车流场计算域划分如图2所示。设定L为车长，W为车宽，H为车高，则该计算域长度为15 L，宽度为10 W，高度为6 H。空气相从计算域前端面流向后端面，前端面边界条件设置为速度入口，速度为车速，

后端面边界条件设置为压力出口;车身表面边界条件设置为固定壁面;车轮边界条件设置为旋转壁面，当车速为80 km/h时，转动角速度为7286 rad/s;底面边界条件设置为移动壁面，速度为车速，方向指向计算域后端面;左侧面、右侧面和顶面均设置为对称边界。离散相射流源设置车轮射流源和轮腔射流源，即从轮胎表面和轮腔释放离散相水雾颗粒，水雾颗粒的直径设置为0.165 mm[2];车身表面和车轮的离散相边界条件设置为trap捕集边

界;计算域入口、出口的离散相边界条件设置为escape逃逸边界;底面离散相边界条件设置为trap捕集边界。欧拉液膜的初始液膜厚度设为0，液体表面张力设为0.072 N/m，先计算稳态流场，流场稳定后再加入DPM粒子进行瞬态的两相流计算，瞬态计算的时间步长为0.002 s。

2.2网格划分

车轮和轮腔的结构较为复杂，且该区域需要进行离散相的追踪、液膜捕集与分离等复杂计算，因此本文对计算域进行多面体网格划分，汽车流场计算网格划分如图3所示。多面体网格的相邻网格单元较多，可以模拟较为复杂的流动问题，在保证计算精度的前提下，可大幅减少网格数量，从而大幅提高计算速度，是一种计算效率较高的网格类型。计算域体网格尺寸设为1 024 mm，并设置3个体网格加密区，由外到内加密区网格尺寸分别为512，256和128 mm，车身面网格尺寸为32 mm，车轮和轮腔面网格尺寸为16 mm，车身和车轮外表面设置6层边界层网格，第一层网格尺寸设置为1 mm，总网格数为220万。

2.3单个车轮溅水液滴轨迹追踪及验证

为验证仿真方法的可行性，本文进行了单个车轮溅水仿真实验，车轮直径为610 mm，车轮宽度为180 mm。单个车轮流场计算域如图4所示，设定车轮直径为D，则计算域长度为15 D，宽度为6 D，高度为6 D。空气由计算域前端面流向后端面，DPM水雾粒子从轮胎面上释放，连续相、离散相和欧拉液膜模型的边界条件与整车仿真设置相同。采用多面体网格对计算域进行网格划分，单个车轮流场网格划分如图5所示，共设置3个加密区，车轮面网格尺寸为16 mm，总网格数64万。

FKFS公司利用Powerflow对汽车单车轮溅水进行实验和仿真，得到了水相的运动轨迹分布情况，本文也做了类似的单车轮溅水模拟，并且和FKFS公司的仿真结果进行对比[5]，车轮外流场计算区域如图6所示。由图6可以看出，本文数值仿真结果与FKFS公司的实验和仿真结果表现出较高的一致性，离散相水雾的运动轨迹和分布情况相似，从而验证了本文数值仿真方法具有可行性。

3仿真计算结果及分析

3.1车轮溅水污染过程分析

车辆在积水路面上行驶时，高速旋转的轮胎会卷起路面的积水。在车速为80 km/h工况下，车轮和轮腔DPM水雾粒子轨迹分布如图7所示。由图7可以看出，轮胎射出的水雾粒子具有一定初速度，方向大致沿着轮胎胎面切线方向，粒子一部分随着空气流场向车身后部运动，另一部分与轮腔发生碰撞，发生液滴的附着、破裂、合并及反弹等复杂变化，反弹或新合并的液滴随着空气流场流向车身后部，从而一部分液滴在复杂的流场作用下运动到车身表面，造成水相污染。另外，在相同条件下，轮腔射流源反弹进入车身侧部流场的液滴粒子比车轮射流源直接流向车身侧部的多，说明轮腔附近空间内发生的复杂液滴变化可能是车轮溅水污染的主要来源。

车身侧部受污染程度影响车辆的清洁度和美观性。在车速为80 km/h工况下，车身侧部的水相厚度随时间变化规律如图8所示。由图8可以看出，在0.1 s时，车轮、轮腔以及车身侧面下部有水相积累;在0.2 s时，车身侧面积水区域向上延伸，后轮轮腔积累的液相流向车身侧部;0.8 s时，车身侧部水相厚度和覆盖范围基本不变。车身侧部水相随着时间延长逐步向车身后部变化，水相厚度逐渐增加，覆盖范围逐渐增大，最终趋于稳定。车轮、轮腔和车轮后部区域的水相厚度较大。

由于雨水有一定的弱酸性，车身底部的积水会吸收大量的路面尘土，会加剧底盘的腐蚀，影响用车安全。在车速为80 km/h工况下，车身底部的水相厚度随时间变化规律如图9所示。由图9可以看出，车身底部水相覆盖区域随着时间延长逐步向车身后部延伸，水相厚度逐渐增大，污染较严重区域集中在车底两侧（即轮腔后部区域），底盘尾部区域受水相污染较为严重。

在车速为80 km/h工况下，车身外流场速度分布流线图和矢量图如图10所示。由图10可以看出，受车身外形的影响，车身两侧區域的空气流速较高，轮腔内形成涡流，空气流速较低，涡流会加剧轮腔内的液滴粒子与轮腔壁面的碰撞、破碎、反弹等复杂变化，并使得一部分液滴游离到轮腔以外，从而加剧车身污染。

通过分析轮腔内复杂流场活动，更好的对车轮溅水污染机理进行研究，得出在速度为80 km/h工况下，轮腔截面压力分布和表面切应力分布情况。轮腔截面压力分布和表面切应力分布如图11所示。

由图11可以看出，前、后轮腔附近区域多为负压区，前轮腔压力水平比后轮腔低;前轮腔前端外侧区域的压力最低，可达-200 Pa，并且该区域的表面切应力方向指向外侧，故前轮腔部分液滴由该区域运动到车身外流场，对车身侧面造成一定污染;前轮腔大部分区域表面切应力方向指向车身后部，前轮腔后沿处的表面切应力值最大，轮腔表面积聚的液滴流向轮腔后部，最终流出轮腔，对底盘两侧区域造成污染;后轮腔前部外侧区域有小范围正压区，后轮腔前后两端均有低于-150 Pa的负压区，并且后轮腔后部表面切应力方向向外，从而液滴粒子由轮腔前后两端向外运动，对尾箱盖侧面造成水相污染;后轮腔表面切应力方向总体指向车身后部，故后轮腔内积累的液滴向后部运动，最终对底盘尾部区域造成水相污染。

3.2不同车速下车轮溅水污染分布规律

为研究不同车速下车轮溅水对车身的污染情况，给出车速为40，60，80 km/h工况下，1.0 s时的车身水相厚度，不同车速下的水相污染分布如图12所示。由图12可以看出，随着车速增大，车身侧部和底盘两侧区域的水相覆盖面积逐渐增大，水相厚度逐渐增大，原因是车轮转速增大，单位时间内轮胎卷起的路面积水量增大，并且随着车速增大，空气流动速度加快，轮腔内液滴的复杂变化更加剧烈，逃逸出的液滴数量增多，因而车身污染更加严重。

3.3改进模型对车轮溅水污染的影响

为了探究改进车身部件对车轮溅水污染的影响，对MIRA阶梯背汽车模型进行简单改进，分别增加阻风板、挡泥板、轮腔护板和侧裙。改进的几何模型如图13所示。

在车速为80 km/h工况下，1.0 s时研究4种改进模型的车轮溅水污染分布情况，改进模型的车轮溅水污染分布情况如图14所示。由图14可以看出，4种改进模型的方法对车身侧部污染均有一定程度的改善;阻风板对前、后轮后部区域的污染控制效果较好;挡泥板大大改善了后轮的水相污染，但对前轮后部区域的污染控制效果不明显;轮腔护板减少了前轮后部的污染状况，但对后轮后部区域的污染控制效果不明显;侧裙对前轮后部区域的污染控制效果最好，对后轮后部区域的污染情况也有明显改善。

4结束语

本文采用DPM模型和EWF模型相结合的非稳态求解方法，分析了车轮溅水对车身表面的水相污染过程，探讨了不同车速下车身污染的规律，并采用几种改进方法降低车身水相污染。结果表明，车身侧部水相随着时间逐步向车身后部变化，水相厚度逐渐增加，覆盖范围逐渐增大，最终趋于稳定;车轮、轮腔和车轮后部区域的水相厚度较大;车身底部水相覆盖区域随着时间逐步向车身后部延伸，水相厚度随着时间逐渐增大，污染较严重区域集中在车底两侧，底盘尾部区域受水相污染较为严重;随着车速增大，车身侧部和底盘两侧区域的水相覆盖面积逐渐增大，水相厚度逐渐增大;四种改进模型的方法对车身侧部污染均有一定程度的改善，其中侧裙对前轮后部区域的污染控制效果最好，阻风板和挡泥板大大改善了后轮区域的水相污染。本研究为汽车表面清洁性问题提供了重要参考。

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作者简介： 殷硕（1997），男，硕士研究生，主要研究方向为车辆动态仿真与控制。

通信作者： 陈焕明（1978），男，博士，硕士生导师，主要研究方向为车辆动态仿真与控制。Email： qdchm@qdu.edu.cn

Simulation and Control of Car Body Pollution Based on Wheel Splash

YIN Shuo， CHEN Huanming， WANG Yalun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：  For the research of cars passed through water road car pollution， car air dynamics simulation model is presented in this paper， by using ANSYS to analyze the wheel splashing water on body surface water pollution and process. Pollution laws of car body under different speed is discussed， and several improvement measures are taken in order to explore the effective ways to reduce water pollution， and car body. The results show that the water phase at the side of the car body gradually develops towards the rear of the car body with time， the water phase thickness increases gradually， the coverage area increases gradually， and finally tends to be stable. The water phase thickness of the wheel， wheel cavity and rear area of the wheel is larger. The area covered by water phase at the bottom of the car body gradually extends to the rear of the car body over time， and the thickness of water phase gradually increases over time. The areas with serious pollution are concentrated on both sides of the car bottom， and the rear area of the chassis is seriously polluted by water phase. With the increase of vehicle speed， the area covered by water phase and the thickness of water phase increase gradually. Four methods to improve the model can improve the pollution of the side parts of the car body to a certain extent， and the side skirt has the best pollution control effect on the rear area of the front wheel， while the air block and fender greatly improve the water phase pollution in the rear wheel area. The research provides a reference for the surface cleanliness of cars.

Key words： numerical calculation; automobile outflows; wheel roll water; speed; body pollution