计算流体动力学在乘用车涉水性能开发的应用及发展

作者:王东;陈书帆;余王培 刊名:上海汽车 上传者:孟全海

【摘要】文章主要介绍了计算流体动力学(CFD)技术在车辆涉水性能开发过程中的最新应用案例;以项目前期开发时运用的场景为核心;为某些既不能密封又需要防水的零部件或子系统的前期设计提供了验证和风险预测方法;主要分析了若干前舱关键零部件的水入侵或者水冲击的效果;讨论其应当满足的设计要求及可行的改进方案;同时讨论了涉水仿真分析目前仍存在的局限性及提升准确性的方法;并对该技术未来可能适用的零部件涉水性能开发进行了列举与展望;

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0引言目前,针对车辆涉水性能的开发需求,通常是在项目前期仅依据过往的开发经验和问题案例进行总结归纳,再对现阶段车型项目可能存在的风险进行设计规避。但涉水过程中的零件状态受各方影响因素较多,过往经验不足以保证风险能被完全规避。同时,难以精确预测实际涉水效果也会导致设计冗余。因此,开发后期的车辆试验几乎成为唯一可靠的设计验证手段[1],但其存在设计滞后、验证困难、改进成本高且更改周期长的诸多缺陷。基于该现状,计算流体动力学技术的出现及其应用为车辆涉水性能开发提供了一个新的方向。本文将通过展示若干车型在研发过程中的CFD分析实例,及其与实车涉水试验的对比结果[2],对整车虚拟仿真涉水这一新方法的运用进行论述,同时也将探讨虚拟仿真涉水技术目前的局限及未来可能的发展方向。1虚拟仿真理论支持在进行实车涉水试验过程中,车辆车速、涉水距离和涉水水深的变化均会影响实车在涉水过程中的表现。一般情况下,涉水仿真的边界条件设置应与实际涉水试验保持一致。本文所提及的虚拟仿真所使用的软件为STARCCM+、Flu-ent或其他同类CFD软件[3]。由于本文讨论的重点在于CFD技术在实际项目中的运用场景,而不涉及整车涉水的仿真建模、方程及边界条件设置及其调试过程等,因此对于与此相关的说明不再展开。2虚拟仿真可关注区域计算模型中建立的前舱应包含钣金外轮廓、饰板、电子电器及机械零部件外形、线缆及线束接插件、管路等各类对前舱水流分布、水流流向产生影响的零件,并应尽可能真实地还原前舱布局,一方面可以使得仿真计算的准确性大大提高,另一方面也可以关注前舱多个区域或者零件的涉水状态。需要注意的是,前舱零件的建模要在精细度与计算量之间寻求平衡,根据经验,一般以体网格总数不多于1 500万、服务器连续计算不多于一周时间为宜。本文中所展示案例均基于该精细度进行计算,主要针对常见失效的若干关键零部件进行对比分析,以说明整车涉水仿真的实际运用场景。2. 1发动机进气口布置位置发动机进气口的布置是影响车辆涉水性能的关键点之一[4],进气口的布置高度决定了该车型涉水深度的极限。通常进气口布置位置需要满足进气量和进气压降的要求,同时所处位置应当能够吸入新鲜冷空气,这些要求基本限定了发动机进气口的大小、朝向和大致区域等关键参数。在不大的剩余空间内,还需要重点关注涉水性能所需的高度和遮蔽,否则在涉水过程中极易发生水侵入车辆进气系统的情况,最终导致发动机熄火甚至损坏。虚拟仿真涉水试验在前期的数据阶段就可针对进气口布置位置是否合适进行计算评估,如图1所示,圆圈位置为某车型涉水仿真过程中进气口附近区域的水流分布情况,图中显示存在部分水流飞溅入进气口。图2为实车在涉水过程中进气口附近的水流分布情况,可见仿真结果与实际试验结果接近。研发工程师可基于仿真的结果,判断进气口区域存在被大部分浸没的风险性,同时采取必要的改进措施,例如,针对浸没可以选择抬高进气口的高度;针对飞溅可以采取在进气口前端增加遮蔽件防护;或者改变进气口的朝向及位置、增加进气口旁通装置等。图1整车涉水时发动机进气口区域水流示意图2整车涉水试验录像截图(发动机进气口位置)2. 2进气系统排水能力发动机进气系统均设计有一定的排水能力,通常做法为在空滤盒体脏空气侧设计排水孔,用于在水侵入量较少时排出进气系统脏空气侧的积水,起到缓冲和排水的作用。虚拟仿真涉水试验可计算侵入进气系统的水量,并同步模拟进气系统的排水能力,校核侵入的积水能否被足够快速地排出。如图3所示,图中黑色区域代表进气管及空滤盒脏空气侧在涉水过程中水流侵入的实时位置。图4则为实车在涉水过程中空滤盒

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