重型商用车侧窗区域水污染的ELM-ELFM仿真及均衡化控制研究

• 作 者: 辛俐
• 机 构: 吉林大学
• 出 处: 吉林大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 汽车空气动力学 重型商用车 侧窗水污染 ELM-ELFM方法 均衡化控制

车辆行驶过程中,驾驶员需要通过视觉获取90～99%的路况信息,清晰的视野是保障驾驶安全性和舒适性的必要条件。降雨工况下,雨水积聚在侧窗和外视镜表面形成水膜、溪流或者水滴,折射和阻挡光线,使驾驶员视野模糊,增加交通隐患。因此,准确预测汽车在风雨环境中行驶时的侧窗水相分布,对水污染程度进行合理的评价;分析不同行驶环境下的变化规律,并开展优化设计以提高视野的清晰度,具有重要意义。然而现阶段汽车空气动力学的研究多集中在气动阻力、气动噪声和侧风稳定性等领域,国内外学者尚未对侧窗区域水污染问题展开深入研究。与此同时,物流行业竞争激烈,对运输货物的时效性提出更严苛的要求,越来越多的车辆需要应对全天候行驶环境。因此,本文以重型商用车为研究对象,采用数值模拟与试验验证相结合的方法,对侧窗区域水污染开展了系统性研究。主要内容如下:首先,详细阐述了欧拉-拉格朗日（ELM）和欧拉-液膜模型（ELFM）的理论基础,重点研究了空气-雨滴、空气-液膜、液膜-雨滴和液膜-壁面相互耦合作用所涉及的理论和求解方法。在归纳总结降雨强度、能见度、交通限速法规之间关系的基础上,提出了适用于汽车侧窗区域水污染研究的七种典型降雨强度。依据Gamma雨滴谱和Best雨滴末速度等降雨理论,推导并建立了雨强与雨滴尺寸、间距和雨滴末速度之间的函数关系,并对相关降雨参数进行简化和求解,实现了多工况下不同降雨环境的模拟。最后,利用欧拉-拉格朗日方法构建自然降雨环境,对比不同雨滴直径的数值仿真结果与试验实测数值,雨滴末速度计算误差均在5%之内。其次,针对目前商用车水污染试验中所遇到的问题,搭建了风雨耦合试验系统,通过优化设计喷头形式及布置方式、雨水均化网孔径参数等,改善了雨滴末速度和雨滴直径与现实情况不符的现象。数值仿真方面,采用欧拉-拉格朗日法和欧拉-液膜模型,建立适用于重型商用车侧窗区域水污染的数值模拟方法,实现了车辆-雨滴-空气相互作用过程中的车身壁面-雨滴-液膜-空气的双向耦合计算,并通过与试验对比,验证了该数值模拟方法的合理性和准确性。然后,针对采用雨水体积量法评价侧窗区域水污染程度的局限性,开展了相关研究。首先基于人机工程学对侧窗视野区进行划分,然后采用体积积分和灰度处理方法,以水膜平均厚度和水相分布占比为评价指标进行量化,进而构建了涵盖侧窗各视野区与外视镜镜面的商用车侧窗区域水污染综合评价方法。以此为基础,分析各区域水膜平均厚度、水相分布占比与行驶速度和降雨强度的映射关系,为汽车开发阶段侧窗区域水污染的评估提供了重要的设计依据。此外,进行了侧风环境对侧窗区域水污染的影响研究,利用横摆模型法实现了风雨耦合环境的数值模拟。重点研究了不同侧风环境中雨滴粒子的分布规律,详细阐述了各区域水膜平均厚度和水相分布占比随不同风雨耦合参数的变化规律及其内在机理。结果表明,背风环境导致气流对雨滴粒子的拖曳力减小,雨滴粒子受惯性力的主导继续沿原方向运动;迎风环境导致后视镜尾涡气流速度增强,促使更多的粒子随该旋涡运动撞击到侧窗。最后,开展了重型商用车侧窗区域水污染的控制研究。采用控制边界法区分影响侧窗区域水污染的主次因素,发现后视镜表面雨滴的飞溅、反射以及液膜脱落为主要污染来源。为保证计算精度的同时提高计算效率,利用数据映射理论构建了子域计算方法,相较于全场计算法,效率可提升65%。在此基础上,将侧向视野区、外视镜视野区及外视镜镜面的水膜平均厚度和水相分布占比的最小化作为优化目标,以后视镜壳体厚度、壳体内倾角、支架高度以及壳体转角为设计变量,基于熵权-AHP组合赋权法确定多目标间的权重系数,采用交互正交试验设计和GAR-TOPSIS方法对侧窗区域水污染问题进行优化,获得了优化设计方案,优化后侧向视野区、后视镜视野区和后视镜镜面水膜平均厚度分别减小了50.4%、85.4%和59.8%;水相分布占比分别减小了13.8%、49.3%和14.9%。综上所述,本文采用汽车空气动力学与多相流理论相结合的方法为侧窗区域水污染研究提供有效的预测手段。对不同工况下侧窗区域雨滴粒子分布和水膜运动规律展开了系统研究,为商用车开发动态视野校核工作和侧窗区域水污染优化提供了参考研究思路和方法。