CAERI風洞:整車環(huán)境風洞風雨場探究

中國汽研風洞中心自2023年成立汽車先進水管理創(chuàng)新工作室，致力于開展汽車水管理領(lǐng)域前沿科技研究。經(jīng)過近兩年的探索發(fā)展，工作室在風洞降雨測試技術(shù)、基于SPH方法的復(fù)雜流體仿真技術(shù)等方面取得階段性成果。下面將以分期分享的形式，對相關(guān)成果進行詳細介紹。

一、概述

試驗模擬技術(shù)中，風雨場是一種模擬自然風雨環(huán)境的試驗裝置、場景，它結(jié)合了風洞技術(shù)和噴雨裝置，可同時產(chǎn)生風速和降雨效果[1]。驗證車輛在雨天時的雨污防護性能和車窗視野性能等試驗場景中，降雨噴頭會均勻布置在風洞出口處，水速方向和風向平行，以獲得更加均勻的風雨場。目前，汽車風洞中普遍使用“噴雨”機構(gòu)布置方式，但是此布置方式與自然降雨環(huán)境差異較大，難以憑借水文和水力特征定義降雨強度特征。因此，對應(yīng)雨滴與測試對象之間的相對速度，以及雨滴速度分布均勻性成為特別關(guān)注的因素。

為了對環(huán)境風洞試驗室中的“噴雨”機構(gòu)的建設(shè)和優(yōu)化提供參考，中國汽研通過采用PIV（粒子圖像測速）技術(shù)，對噴雨式風雨速度場進行了精密測量，精確捕捉了環(huán)境風洞內(nèi)雨滴粒子隨氣流運動的速度變化與空間分布特征。

二、中國汽研環(huán)境風洞試驗室

中國汽研環(huán)境風洞試驗室為3/4開口式回流風洞，試驗段長寬高分別為：18 m×13 m×8 m，風洞內(nèi)來流速度0～200 kph可調(diào)，湍流強度≤1.5%。為實現(xiàn)逼真的“噴雨”模擬效果，試驗室優(yōu)化了原有降雨格柵結(jié)構(gòu)，集成了72套快插型實心錐噴霧噴嘴，在標準驅(qū)動水壓下，能夠穩(wěn)定地生成120°的實心水錐面，從而精準模擬降雨場景。

三、實驗裝置

本次實驗采用PIV測量系統(tǒng)由200 mj雙腔雙脈沖激光器，激光器片光源，PCO edge 5.5M跨幀相機，分辨率2560×2160，時序同步器及PIVview等相關(guān)配套軟件構(gòu)成，配置參數(shù)如表1所示。

表1PIV系統(tǒng)配置

四、工況設(shè)置

在風洞實驗室中主要通過噴射氣流的帶動作用形成風雨場環(huán)境，車輛保持靜止狀態(tài)，通過調(diào)整來流速度來復(fù)現(xiàn)不同車輛行駛狀態(tài)。為全面探究風洞常規(guī)試驗場景的風雨場速度分布情況，本次實驗設(shè)置風速工況：60 kph、80 kph、100 kph、120 kph、160 kph。

圖3 PIV測量位置示意圖

如圖3所示，PIV系統(tǒng)的圖像采集點布置于距離噴口X=2.2 m~3.8 m、高度Z=1 m~2.4 m的平面區(qū)域內(nèi)，基本覆蓋大部分乘用車從進氣格柵至風窗頂端的空間區(qū)間。另外，為補充環(huán)境風洞中風雨場的空間分布數(shù)據(jù)，測量過程中進一步在Y=0 m、0.8 m、-0.8m三個特征平面上分別進行采集測量工作。

五、試驗結(jié)果

圖4 PIV拍攝的雨滴粒子運動圖像

試驗測量結(jié)果在pivview軟件環(huán)境中進行后處理計算流程，實現(xiàn)了判讀區(qū)域設(shè)置、FFT互相關(guān)性分析、后處理優(yōu)化、數(shù)據(jù)輸出等處理步驟，相關(guān)結(jié)果如下：

5.1 雨滴粒子速度分布

圖5 雨滴粒子速度分布場@60kph

圖6 雨滴粒子速度分布場@80kph

雨滴粒子在噴射氣流的“攜帶”作用下沿X軸方向逐漸遠離噴口，其運動速度呈現(xiàn)“漸進式”增加趨勢。

圖7 雨滴粒子與氣流速度差異分布

如圖7所示，雨滴粒子與氣流之間的速度差異顯著，但此差異隨著X軸方向上與噴口距離的增大，以及雨滴粒子持續(xù)加速，而逐漸趨于減小。

5.2 雨滴粒子速度分布均勻性分析

圖8雨滴粒子速度分布均勻性分析@60 kph

圖9雨滴粒子速度分布均勻性分析@80 kph

如圖8、9分別列出了常用工況下中各平面的速度對比情況、并引入了速度變異系數(shù)*（系數(shù)越小說明一致性越佳）作為評估指標，Y向速度分布的變異系數(shù)≤4.1%，Z向高度上雨滴粒子速度分布變異系數(shù)均小于等于5%。

*變異系數(shù)即標準差與平均值的比值，用于衡量數(shù)據(jù)離散波動性。

六、說明

中國汽研環(huán)境風洞試驗室應(yīng)用PIV技術(shù)測量風雨場速度，精確捕捉雨滴速度分布，提出了空間雨場內(nèi)速度均勻性的評估方法。根據(jù)本次測量結(jié)果，雨滴粒子越靠近X向下游位置，其速度與風速的差異率越小（≤15%@X=3800）。同時，X向下游位置雨滴粒子在Y向的速度分布也展現(xiàn)出良好的均勻性，為車輛在“噴雨”式風雨場中的安裝設(shè)置提供了數(shù)據(jù)支撐。

同時，中國汽研面相行業(yè)推出了PartoX復(fù)雜流體環(huán)境仿真軟件，采用基于新型SPH無網(wǎng)格方法的求解器，適用于任意復(fù)雜壁面和界面的流動問題，能夠完美覆蓋整車及部件水管理開發(fā)典型場景?；诖隧桺IV測量結(jié)果，得到風洞試驗場景下的真實風/雨速度場及負載、雨滴粒徑及分布結(jié)果，用于定制雨水模型、映射及修正表面張力、氣動力負載模型等，確保仿真分析與試驗測試結(jié)果一致性。

下期分享將展開PartoX復(fù)雜流體環(huán)境仿真軟件的涉水場景（耦合結(jié)構(gòu)強度）案例介紹，敬請期待!

參考文獻

【1】Liu Q , Liu H , Zhou Q ,et al.Numerical research on rain field intensity and uniformity of a high-velocity rain wind tunnel[J].IOP Publishing Ltd, 2024.DOI:10.1088/1742-6596/2820/1/012073