宋名洋

（東南（福建）汽車工業(yè)有限公司，福州 350119）

車輛涉水安全一直是汽車運行中的一個關(guān)鍵問題。一方面，發(fā)動機和底盤在涉水過程中可能受到水的影響，導(dǎo)致性能失效和損壞，如發(fā)動機艙中進(jìn)氣口位置如果有水分浸入會直接影響車輛的進(jìn)氣系統(tǒng)，機艙中的電子系統(tǒng)和電池單元在涉水過程中也很容易受水浸危害。另一方面，涉水過程中濺起的水也會對車身關(guān)鍵部位的潔凈度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響，如濺起的水覆蓋擋風(fēng)玻璃會妨礙駕駛員的視野，造成行車危險。車身的涉水性能與車身下部和底盤的構(gòu)造以及機艙關(guān)鍵部件的布置密切相關(guān)。通過對車身下半部分的造型、底盤和機艙進(jìn)行局部修改，對提高車輛涉水性能有很大的幫助，但同時由于車身造型和機艙的敏感性，也會影響其他性能，比如車身或發(fā)動機進(jìn)氣等空氣動力學(xué)性能也會受到影響。因此，應(yīng)進(jìn)行綜合分析，以提高車輛涉水性能。

國內(nèi)外許多學(xué)者利用各種技術(shù)手段針對車輛涉水問題進(jìn)行研究。KHAPANE等提出了涉水水位預(yù)測理論。通過試驗與仿真的對比分析，驗證了仿真的準(zhǔn)確性，提出了涉水水流進(jìn)入機艙的基本模式。MAKANA等建立了完整的車輛涉水模擬過程，分析了幾種兩相流仿真模型的優(yōu)缺點，并利用CFD仿真探討了機艙內(nèi)部布局變化對涉水安全的影響。KHAPANE等提出了一種非經(jīng)典的模擬策略來研究深涉水的過程。TANAKA等建立了考慮多體動力學(xué)影響的涉水仿真過程。鄭鑫等對汽車涉水時防火墻的滲水現(xiàn)象進(jìn)行仿真，計算出涉水過程中汽車各零部件上的壓力分布及單元內(nèi)的相體積分?jǐn)?shù)，并在發(fā)動機底部添加一種保護(hù)板，有效地抑制了底部水流對防火墻的沖擊。但以上文獻(xiàn)未對水流進(jìn)入機艙中的水位動態(tài)變化過程進(jìn)行詳細(xì)研究并尋找規(guī)律，本文首先研究從淺水到深水階段的艙內(nèi)水位及流態(tài)躍變過程，總結(jié)其規(guī)律性，然后針對性實施優(yōu)化方案，為車型的涉水性能開發(fā)和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值仿真模型

對于涉水過程中不同類型的介質(zhì)在空間中的共存和相互作用問題，通常采用相的概念來描述流體區(qū)域內(nèi)不同介質(zhì)之間的差異。通過一定的交互界面來明確捕捉或交互幾個不同的相位狀態(tài)。STARCCM+提供多種兩相流體模型，其中連續(xù)相模型為流體體積VOF模型和液膜模型。VOF模型適用于在數(shù)值網(wǎng)格上仿真幾種非混相流體的流動，解決混合氣相之間的界面問題，不需要對相位間的相互作用進(jìn)行額外的建模，該模型假設(shè)所有相位共享速度、壓力和溫度場成為離散化誤差。對于車輛涉水仿真過程，需要對大面積的水域進(jìn)行仿真分析，重點是通過仿真確定水流位置，準(zhǔn)確捕捉氣相界面。因此，本文采用VOF方法進(jìn)行仿真。

VOF的方程為：

式中：α為體積分?jǐn)?shù)；ρ、μ和(c )分別為第相的密度、分子粘度和比熱；S為第相的源；Dρ Dt為ρ相的物質(zhì)導(dǎo)數(shù)或拉格朗日導(dǎo)數(shù)。

在VOF模型仿真過程中，不僅涉及和氣相界面的精確捕獲問題，還要使計算穩(wěn)定。涉水仿真通常是具有大量網(wǎng)格的非定常解，在解決精度和計算穩(wěn)定性之間的平衡方面，STAR-CCM+提供了Courant數(shù)范圍、角系數(shù)和銳化因子等可調(diào)參數(shù)，采用對流離散化方案，解決精度與計算穩(wěn)定性之間的平衡問題。

HRIC程序方程為：

式中：為局部庫朗特數(shù)；ξ為網(wǎng)格歸一化變量；ξ為網(wǎng)格中心點歸一化變量；ξ*計算值可根據(jù)局部庫朗特數(shù)修正；和Cu 默認(rèn)值分別為0.5和1，引入目的是基于庫朗特數(shù)的HRIC和UD方案的混合控制。

2 仿真過程

2.1 幾何模型準(zhǔn)備

本文選擇某款SUV來建立涉水仿真模型。將整車CAD模型導(dǎo)入STAR-CCM+，由于車身的某些部位對水位更敏感，所以對敏感部位的體網(wǎng)格加密，體網(wǎng)格達(dá)到6 400萬個。整車體網(wǎng)格和車身網(wǎng)格加密如圖1～2所示。

圖1 車身體網(wǎng)格縱截面剖視圖

2.2 初始條件和邊界條件建立

本文采用隱式非定常方法求解瞬態(tài)流動狀況，時間步為0.001 s，最大內(nèi)部迭代為20步，最大物理時間為5.0 s；物理模型選取-湍流模型，激活-雙層模型。模型迭代歷程36 h左右，殘差曲線收斂穩(wěn)定后均小于1×10。如前所述，HRIC高精度解的應(yīng)用對求解過程的精度和計算成本有很大影響，所以通過測量網(wǎng)格的大小和計算域的速度等參數(shù)來選擇合適的Courant數(shù)集的范圍。

為了仿真車輛涉水的運動過程，在STARCCM+中設(shè)置了域運動和局部旋轉(zhuǎn)的運動狀態(tài)。計算域的運動設(shè)定為相對于車輛坐標(biāo)系的水平運動，車輪的旋轉(zhuǎn)定義為固定角速度相對于輪軸的旋轉(zhuǎn)。角速度的值與計算域中線速度的值相匹配。在邊界條件設(shè)置中，入口位置與水平水面域相切，因此水相和氣相的混合物設(shè)置在入口位置。通過初始條件和邊界條件的定義，使入口水相比保持不變。由于出口位置遠(yuǎn)離水域，不影響水位分析，所以出口位置邊界上設(shè)定為單相不可壓縮空氣。此外，為了實現(xiàn)整車與地面和側(cè)面的相對運動，在地面和側(cè)面設(shè)置與域運動方向相反的相對速度來仿真整車的過程。

表1 涉水仿真邊界條件

3 仿真條件

在現(xiàn)實中，車輛涉水的情況是隨機的。不同水位條件下的涉水性能和水流影響方式存在較大差異，所以需要建立多種涉水水位仿真。

圖4 水位監(jiān)測裝置位置（y視圖）

圖5 水位監(jiān)測裝置位置（z視圖）

水位高度值是涉水仿真的重要評價指標(biāo)。選擇機艙向敏感位置進(jìn)行水位高度監(jiān)測。在涉水試驗中，布置水位傳感器監(jiān)測測量水位，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。對汽車進(jìn)氣部位附近、電控單元位置、冷凝器前端和機艙中心的水位高度進(jìn)行監(jiān)控的不同視圖，如圖3～5所示。

圖3 水位監(jiān)測裝置位置（x視圖）

4 涉水仿真

基于2.2節(jié)仿真模型建立，初始工況中涉水水位高度設(shè)定為0.25 m，車速為5 m/s。仿真中采用與試驗相同的涉水池參數(shù)，可涉水長度為100 m，全長為130 m，寬度為4.4 m，最大可涉水深度為1 m，兩端坡度均為8%。涉水過程仿真如圖6所示。

圖6 涉水仿真

在初始仿真模型中，SUV以5 m/s的速度在0～0.25 m的水面上入坡行駛的過程。起初車輛與水面保持一定的距離，車輛行駛1 s后，輪胎首先與水接觸，接觸初始狀態(tài)如圖7所示。

圖7 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量圖（水面高度=0.25 m，y=0，t=1.0 s）

本文標(biāo)量場景中的水體積分?jǐn)?shù)均是通過圖8中所示的灰度顏色進(jìn)行區(qū)分。

圖8 標(biāo)量比例圖

入水1.6 s時，車輛中截面（=0）的水體積分?jǐn)?shù)，以及車身各區(qū)域的水體積分?jǐn)?shù)的分布狀態(tài)，如圖9所示。

圖9 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=0，t=1.6 s）

在0～0.6 s的入水過程中，車輛浸水深度從0水位逐漸過渡到0.25 m，此時，隨著涉水水位的逐漸加深，水流出現(xiàn)最初始的涉水?dāng)_動，進(jìn)入汽車底部的水從前地板前緣，順著防火墻回流到發(fā)動機艙。繼續(xù)涉水至1.6 s時，由于涉水水位維持在0.25 m，車輛沒有進(jìn)入更深的水域，所以僅有較少的水在格柵周圍，冷凝器不受水的影響。相較之下，在入水過程中，由于存在涉水?dāng)_動和水回流問題，水會飛濺或浸濕轉(zhuǎn)向系統(tǒng)甚至制動系統(tǒng)，存在安全隱患。

車輛在2.2 s和2.4 s時，=-0.4 m截面（分析電池單元的水浸情況）的水體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量，如圖10～11所示。由于前地板前緣比截面=0的位置更靠前，水流量會更早回流至機艙。在2.2 s時刻，水流被防火墻和地板的幾何形狀阻擋，不會產(chǎn)生向上的沖擊水流。因此，水的流入和沖擊不會對發(fā)動機ECU的安全造成影響。此外，由于冷凝器兩側(cè)缺少遮擋，格柵位置的入射流順著兩側(cè)空隙進(jìn)入機艙。由圖10～11可知，從格柵位置進(jìn)入的水流不斷向后飛濺，幾乎達(dá)到空氣濾清器、電池和電控單元的位置，所以該區(qū)域在涉水過程中存在風(fēng)險。

圖10 水體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.4，t=2.2 s）

圖11 水體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.4，t=2.6 s）

車輛在4.2 s和5 s時的平穩(wěn)段涉水狀態(tài)，外部水濺高度維持在0.8 m左右，如圖12～13所示。在前地板前緣的入射流型變化不大；同時，由于外部水位穩(wěn)定在0.25 m，從格柵位置來的水流繞過冷凝器，流經(jīng)空氣濾清器和電池的安裝位置后出現(xiàn)周期性往復(fù)波動，但未對空氣濾清器和電池的安裝位置造成不良影響。

圖12 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.4，t=4.2 s）

圖13 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.4，t=5.0 s）

外部水位高度線的監(jiān)測結(jié)果如圖14所示，由圖可知涉水時間和水位高度相對應(yīng)的變化情況。

圖14 外部水位高度線監(jiān)測（水面高度=0.25 m）

綜上所述，當(dāng)車輛以5 m/s的速度勻速行駛在0.25 m水平時，其涉水大致可分為3個環(huán)節(jié)：（1）涉水初期，車輛涉水深度不深，格柵位置的水流未達(dá)到危險高度，唯一的影響是從前地板前緣位置的回流現(xiàn)象。（2）涉水過程，在2.2 s前后，車輛由淺到深的涉水環(huán)節(jié)，格柵位置開始有大量的高水流，從格柵位置進(jìn)入的水流不斷向后飛濺并造成一定影響。（3）涉水穩(wěn)定段，機艙內(nèi)的水位最終定位在大約0.35 m到0.45 m的范圍內(nèi)，且不會造成不良影響。

5 涉水試驗

為驗證仿真模型的有效性，以及后續(xù)對不同水位的分析研究，對SUV進(jìn)行整車涉水試驗。在試驗中使用等高度水位的低洼水道，排水系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)水位。其涉水速度和深度均與初始仿真模型設(shè)定相同，即車輛從無水路面先以勻速行駛，并在整個入口、涉水和光滑的路面上保持其速度。初始條件的涉水過程如圖15所示。

圖15 初始條件的涉水試驗

測試結(jié)果表明：涉水初期，前地板前緣位置同樣存在水回流現(xiàn)象，浸濕轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和部分制動系統(tǒng)，與涉水仿真的表現(xiàn)一致。涉水過程中出現(xiàn)大量即將進(jìn)入發(fā)動機艙的水，進(jìn)氣口位置、電池位置、空氣濾清器等安裝位置有水漬，表明出現(xiàn)了浸水和濺水現(xiàn)象；但機艙的水位線在0.43 m，說明涉水穩(wěn)定階段時的水位高度與仿真基本相當(dāng)。

6 不同涉水高度的研究

根據(jù)以上分析，通過設(shè)定整個涉水過程的不同水位來探索其他涉水過程的模式。

6.1 研究不同的水位高度

考慮到不同的涉水高度會對具體的涉水方式產(chǎn)生不同的影響，從而直接影響防水設(shè)計。因此，有必要進(jìn)一步研究不同水位下的涉水問題。為符合實際情況，選取0.15 m和0.35 m兩種水位高度進(jìn)行對比分析。

不同水位高度下涉水前期的表現(xiàn)，如圖16～17所示，選取=0截面的水體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)水位越高，對格柵區(qū)域的影響越早。當(dāng)水面高度為0.35 m時，冷凝器前端在涉水初期便充滿了水，且水流在通過冷凝器后形成了回流。涉水初期，3種水位高度的差異主要集中在前格柵位置的水位高度上，而前地板前緣位置的差異不明顯。

圖16 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量（水面高度=0.15 m，y=0，t=1.6 s）

圖17 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量（水面高度=0.35 m，y=0，t=1.6 s）

圖18 ～19顯示了不同水位高度下的涉水穩(wěn)定階段的表現(xiàn)。在低水位時，前保險杠的水位不會達(dá)到格柵的高度，水浸的位置主要集中在前地板前緣的水流入射上，入射流甚至可以到達(dá)冷凝器安裝支架的位置。在高水位時，水與前保險杠的相互作用，使水位更高，并流經(jīng)格柵位置進(jìn)入發(fā)動機艙，由于機艙內(nèi)儲存了大量的水，因此機艙內(nèi)的水位總是比外部高出0.1 m左右。在水面高度為0.35 m時，與前格柵處的水位相比，前地板前緣處的水位影響較小。

圖18 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量（水面高度=0.15 m，y=0，t=3.6 s）

在此基礎(chǔ)上，利用水位量化曲線對不同水位下的入流模型進(jìn)行評價。

圖20顯示了在3種水位高度的涉水條件下，車輛前保險杠區(qū)域的監(jiān)測單元5 s內(nèi)水位高度的比較。

圖2 計算域加密方案

圖19 水體積分?jǐn)?shù)標(biāo)量（水面高度=0.35 m，y=0，t=3.6 s）

圖20 前保險杠區(qū)域水位高度監(jiān)測（0.15 m/0.25 m/0.35 m水面高度）

由圖20可知，在整個水位上升過程中，保險杠前主要有兩個水位上升階段。第1階段是在0.6～1.8 s之間，這時隨著涉水水位的逐漸加深，監(jiān)測點的水位高度幾乎線性增加；第2階段在2.2～4.2 s之間，在這個階段水流撞擊車輛而飛濺，導(dǎo)致水位急劇上升和波動。當(dāng)4.5 s左右時，水位基本保持不變。3種水位高度下的水位監(jiān)測高度不相同，但在0.25 m和0.35 m條件下的第2次上升更劇烈，跳躍幅度更大，所以在較高水位下，更需注意涉水安全性。

冷凝器前的監(jiān)測水位高度，如圖21所示，與前保險杠位置的監(jiān)測值有明顯差異。

圖21 冷凝器區(qū)域水位高度監(jiān)測（0.15 m/0.25 m/0.35 m水面高度）

由圖21可知，在水面高度為0.35 m時，冷凝器前端中部水位在2 s內(nèi)跳升至最大值，然后幾乎不再變化。但在0.25 m和0.15 m高度時，冷凝器前端的水位變化規(guī)律差異不大，經(jīng)過兩級跳變后仍保持穩(wěn)定。

為研究涉水對進(jìn)氣口、空氣濾清器、蓄電池及電控裝置安全的影響，在防火墻左前區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點來監(jiān)測實時水位。該位置的水位高度變化曲線，如圖22所示。

圖22 防火墻左側(cè)區(qū)域水位高度監(jiān)測（0.15 m/0.25 m/0.35 m水面高度）

由圖22可知，無論水位高低，防火墻附近的水位都比其他位置提前達(dá)到最大涉水水位。在車型開發(fā)中，可以考慮改變發(fā)動機艙的部分布置，降低或避免涉水過程的回流跳躍對電池、電控、甚至進(jìn)氣口的影響。

綜上所述，前保險杠飛濺水位存在兩級跳躍上升的現(xiàn)象，冷凝器前的水位隨前保險杠位置的水位變化而變化。在中低水位時也有兩個階段；在對防火墻水位進(jìn)行監(jiān)測時發(fā)現(xiàn)，由于前地板前緣出現(xiàn)回流，水流會提前跳躍，并在一段時間內(nèi)影響冷凝器附近的水位。

6.2 優(yōu)化方案

針對以上涉水風(fēng)險，當(dāng)水位較高時，如果能避免水位達(dá)到最大水位前的跳躍水流，將在一定程度上保證機艙的涉水安全，所以本文提出以下優(yōu)化方案。

在冷凝器左側(cè)添加小塊前擋板，阻止水流沖擊，如圖23所示，從而防止水濺到進(jìn)氣口附近，并繼續(xù)向后飛濺到電池或電氣控制單元，同時在地板前緣添加伸長的襟翼，形成前緣擋板，降低水回流現(xiàn)象，如圖24所示。

圖23 方案一：冷凝器左側(cè)添加擋板

圖24 方案二：前地板前緣增加擋板及試驗車輛

根據(jù)上述優(yōu)化方案，采用基準(zhǔn)涉水高度0.25 m，對優(yōu)化方案的涉水防護(hù)效果進(jìn)行仿真和試驗確認(rèn)。

優(yōu)化方案在機艙左側(cè)位置0.22 s時的結(jié)果對比，如圖25～26所示。由圖可知，增加冷凝器側(cè)擋板后，從格柵進(jìn)入機艙的水流沖擊明顯降低，證明擋板的有效性。

圖25 原始方案的水體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.44，t=2.2 s）

圖26 優(yōu)化方案的水體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.4，t=2.2 s）

車輛涉入水中5 s時，發(fā)動機艙左側(cè)位置的水位標(biāo)量，如圖27～28所示。與初始狀態(tài)相比，盡管格柵前方水位很高，并不斷涌進(jìn)機艙，但冷凝器擋板和前地板前緣擋板使水流迅速流過機艙，降低了冷凝器前后的水位。

圖27 原始方案的水體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.4，t=5 s）

圖28 優(yōu)化方案的水體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)量（水面高度=0.25 m，y=-0.4，t=5 s）

優(yōu)化方案與原始方案的實時水位對比曲線，如圖29所示。在1.3 s左右，防火墻的水位高度開始較原始模型發(fā)生變化，且水位高度始終低于原始模型。這說明了增加的擋板在保證涉水安全方面是有效的。

圖29 防火墻水位高度監(jiān)測值（優(yōu)化方案與初始方案對比）

修改后的機艙左側(cè)電池單元的水位與原始水位高度差值，如圖30所示。擋板作用效果最明顯的時間段出現(xiàn)在2.2 s處。此時，車輛正處于從最初的涉水階段向穩(wěn)定階段過渡的中間階段，擋板弱化了第2階段跳躍引起的高水位沖擊，有利于后期穩(wěn)定階段涉水過程的安全。

圖30 原始方案與修改方案的水位差

需要說明的是，添加冷凝器左側(cè)擋板會略微降低冷卻熱害性能，已實施整車?yán)鋮s熱害測試，對發(fā)動機水溫的影響在0.8℃，滿足SPEC值要求，屬于可接受范圍。

7 結(jié)論

基于VOF方法建立整車涉水仿真模型，并對SUV涉水過程進(jìn)行精確仿真。通過仿真和試驗結(jié)果的對比，確認(rèn)了仿真模型的有效性，查找車輛涉水過程中存在的不足和安全隱患。

設(shè)置多種水位高度工況，探討各工況下車輛涉水工況的異同。結(jié)果表明，水位從淺水到深水有兩階段的躍變過程，但跳躍細(xì)節(jié)因涉水高度的不同而有差異。

對結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在發(fā)動機艙左側(cè)位置的電池單元和電控單元的安裝位置存在涉水安全隱患。通過在冷凝器左側(cè)和前地板前緣增加擋板，使水位在第2次跳躍時，把濺起的水花擋在后面。結(jié)果表明，在擋板的作用下，后向輻射水流明顯減小，與初始模型相比，危險位置的流量在第2跳期間下降幅度最大。