0 前言
當今全球氣候變暖，夏季雨量增大，大雨過后路面會存有大量積水，車輛涉水行駛非常普遍，因此汽車涉水能力受到各汽車企業(yè)的重視。
車輛涉水嚴重，主要會出現以下情況：
1)現在車輛電子化程度越來越高，線路特別繁雜，車輛在涉水后很容易導致各電路接口和插口進水。涉水后的車輛一般當時看不出什么問題，但進水的位置時間長了就會被氧化，問題也會隨之而來；
2)車輛在過水路面時，大量的積水會沖擊到車內防火墻上，由于水流急，壓力大，時間過長，防火墻會出現滲水現象；
3)汽車涉水對發(fā)動機的影響比較大，如環(huán)境水導致電器短路、水進入進氣管導致氣缸進水、進入機體而稀釋潤滑油、對機體具有冷卻作用；
4)發(fā)動機涉水時，對潤滑系統影響比較大。油底殼位于發(fā)動機底端，涉水時首先與水接觸，隨著涉水深度的提高，油底殼部分或全部沒于水面下，高溫潤滑油通過殼壁與水發(fā)生熱交換，潤滑油溫度下降、黏度減小，導致潤滑不良，摩擦損失增加，燃油消耗率增加。
本文根據實際路試反饋信息，發(fā)現在車輛涉水試驗過程中，防火墻出現滲水現象。為測出滲水的主要位置，現運用CFD軟件STAR-CCM+進行車輛的涉水仿真。
1 計算模型的建立及方案確定
1.1 幾何模型建立
根據某車型的三維CAD實體模型，分別選擇發(fā)動機艙內部各零部件、前格柵、車輪和車身的外表面生成模擬空間。考慮到汽車產品的復雜性，為了節(jié)約時間和減少網格數量，在不影響模擬精度的前提下，把汽車底盤部分處理成一個平板。但對模擬的關鍵部件，如前格柵、發(fā)動機艙內的散熱器、風扇等部件則應盡量保留原樣，如圖1所示。
圖1 幾何模型
由于CFD網格劃分需要在一個封閉的空間內進行，而CAD模型之間有一些縫隙和漏洞，如果直接在CAD軟件中進行模型的前處理，需要花費大量的時間和精力，因此，我們采用先在Hypermesh中劃分三角形的表面網格，如圖2所示，這樣表面的連接和修補相對容易，然后輸出為Patran格式。
圖2 Hypermesh表面網格
1.2 網格生成
在本次分析中，利用STAR-CCM+先進的網格生成工具進行面網格重構和體網格的劃分工作，其中中冷器、冷凝器和散熱器采用多孔介質的計算模型。
計算區(qū)域取為長方體，長寬高分別為32m×6m×7m，上游距前車軸8m，如圖3所示。整個模型采用12面體網格劃分，體網格總數為3739120個。圖4為整車體網格圖。
圖3 計算網格
圖4 整車體網格
1.3 邊界條件確定
分析中有水和空氣兩種流體介質，入口采用速度入口邊界條件，入口速度根據實際路況速度設置，如表1所示，出口為壓力出口邊界條件。側面及頂部采用滑移壁面邊界條件，底部及車身表面采用無滑移壁面邊界條件。紊流模型采用高雷諾數k-ε湍流模型。采用SIMPLE算法進行計算。
表1 初始條件
2 計算結果與分析
2.1 原始模型計算結果
不同涉水深度和不同車速下，防火墻上的壓力分布情況，如圖5所示。通過計算，我們可以看到，當車速越快，水越深時，沖擊到防火墻上的壓力就越大；相同速度時，隨著水不斷增深，壓力變化比較明顯；所有方案都有一個共同點，壓力最大值都發(fā)生在防火墻的中底部，偏于副駕駛員側；其中壓力最大值的情況為車速30kph，涉水深度為200mm時，壓力值為7500Pa。
圖5 不同涉水深度不同車速時防火墻上壓力分布圖
水的體積分數大小表示水含量的多少，不同涉水深度、不同車速時，防火墻上水的體積分數，如圖6所示。圖中由方案一可知，駕駛員側的防火墻濺到的水比較多；方案二與方案一相對比，由于車速的下降，飛濺到防火墻上的水較少，但有水的區(qū)域是相同的。方案三，由于涉水較深，車速較快，水飛濺到防火墻上的區(qū)域比較大，幾乎遍布整個防火墻；相比方案三，方案四由于車速下降，由車底反噬的水被防火墻底部阻擋，只能沿著防火墻的形狀貼伏在防火墻上，而不能飛濺，導致防火墻中底部到副駕駛員側飛濺到的水量較大。
圖6 不同涉水深度不同車速時防火墻上水的體積分數
路試的進水過程截圖與方案四涉水分析結果對比可知，車輛涉水的過程比較相似，如圖7所示。綜上所述，方案四(涉水深度200mm，車速20kph)在實際中是比較常見的，也是路試情況中最能反映實車性能的方案，因此方案四模擬的結果更具參考意義。
圖7 路試與方案四對比
2.2 方案改進
由方案四可知，防火墻中部積了很多水，此處也是防火墻漏水的多發(fā)位置。針對此情況，設計人員在發(fā)動機底部加了一塊護板，如圖8所示，目的是為了擋住水由底部反噬，沖擊防火墻。
圖8 發(fā)動機底部護板
基于方案四，做更改方案的涉水仿真，邊界條件的參數設置與方案四相同（涉水深度為200mm，車速為20kph）。方案四和更改方案的涉水仿真對比，如圖9所示。從方案四的模擬可以看出，進入發(fā)動機艙的水分兩部分，一部分由格柵進入流經中冷器，冷凝器，散熱器，風扇，沖擊發(fā)動機本體，第二部分是由發(fā)動機艙底部沖刷，并經防火墻向上翻轉，反面沖擊發(fā)動機；由更改方案的模擬結果可觀察到，由發(fā)動機艙底部沖刷防火墻的那部分水被新增的發(fā)動機底部護板阻擋，進而阻隔水流直接沖擊防火墻。
圖9 方案對比涉水仿真
從防火墻上水的體積分數可以看出，通過增加發(fā)動機底部護板，防火墻上的水量有了明顯的降低，更清晰的反映出了護板的隔水效用，進而驗證了設計更改方案的可行性，如圖10所示。防火墻底部的壓力區(qū)域也有了明顯的變化，整個防火墻的壓力變得更加均勻，壓強最大值發(fā)生在輪罩內部，原因是由于水流對車輪罩的直接沖刷導致的。
圖10 防火墻上水的體積分數
圖11 防火墻上壓力分布
3 結論
(1)應用STAR-CCM+分析軟件對某車型進行的涉水分析，可以較準確的得到汽車涉水的整個過程及各零部件上的壓力分布及所沾水的體積分數。
(2)更改方案的計算結果表明，通過增加發(fā)動機底部護板，可以很好的阻隔車底部水流對防火墻的直接沖刷，減免了防火墻出現滲水的可能，更改方案合理。
(3)在產品開發(fā)時應用CFD方法，可以大大縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費用，分析結果對于設計開發(fā)人員優(yōu)化產品設計具有重要參考價值。
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本文標題：基于STAR-CCM+的汽車涉水分析
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