车轮溅水及其对车身表面污染的仿真研究

【摘要】汽车正越来越多的进入人们的生活,成为日常生活中的必需品。人们对汽车的要求已不仅仅是一个代步工具,通常人们也更希望汽车外表可以保持清洁,不受泥水和灰尘的污染,尤其是对于车身表面安装有摄像系统的车辆和两侧绘有巨幅广告的大型客车等。然而,汽车在潮湿或有积水的路面行驶时,车表很容易受到车轮溅水的污染。因此,研究车身表面污染形成的规律、探索减少车身表面污染的方法有着非常重要的意义。研究汽车车轮溅水和车身表面污染,通常使用理论研究、实验研究和数值仿真研究三种方法。与理论或实验研究相比,数值仿真方法不仅可以方便快捷地得到污染的现象和结果,而且可以模拟实验中无法实现的实验条件,快速获得空间流场中的压力、速度分布情况以及液滴的运动轨迹,进而分析流场的结构和污染形成的机理。本文先以单个车轮和路虎Diccovery3简化模型为研究对象,分别探索适用于车轮溅水和车身表面污染的数值仿真方法和物理模型。选择非稳态SSTk-co模型作为湍流模型,使用DPM模型来求解液滴运动的轨迹,使用欧拉壁面液膜模型来求解污水在车身表面的沉积和流动的过程,并通过与文献中的实验数据和仿真结果相对比,验证了所采用的数值仿真方法的准确性,为本文中后续的数值仿真工作做好准备。仿真方案确定之后,本文选取改型方背式米拉(MIRA)模型为仿真对象,即基于一个几何特征较为简单的几何模型研究其车轮溅水和车身表面污染的过程。通过数值模拟,得到了车轮溅水液滴运动的轨迹和车身表面的污染图样。为更好的分析和评价车身表面污染的程度,将车身表面划分为若干区域,定义并使用Rc(RatioofContamination)作为衡量车身某一区域污染程度的定量指标。结果表明车身两侧的车门区域、尾部的车灯区域污染程度最严重,而两侧车窗区域的污染程度最轻。结合仿真结果,将车轮溅水及车身表面污染的形成过程划分为液滴在轮腔内的运动、液滴在高速均匀气流中的迁移、液滴在气流发生分离时的运动变化、液滴在尾流区的运动、车身表面液膜运动等子过程并进行了深入分析,得到汽车的外流场与液滴运动、车身表面水膜运动之间的联系。车身外流场中液滴运动的轨迹与气流运动密切相关,本文结合液滴运动状态和车辆周围流场结构之间的联系,以改型方背式米拉模型为基础型,提出四种改良方案,即增加轮罩护板、车尾顶部导流片、车尾底部扰流板和车尾两侧导流片,通过改变流场结构来改变液滴运动轨迹,进而达到了减少车身表面污染的目的。最后对车身表面污染面积减少的原因及流场机理进行了简要分析。本文确定了一套基于有限体积法、以非稳态SSTκ-ω为湍流模型、使用离散相模型和欧拉壁面液膜模型用于车轮溅水和车身表面污染仿真的数值仿真方法,分析和揭示了车轮溅水以及车身表面污染受汽车外流场影响的规律,并从汽车空气动力学的角度提出了若干控制车身表面污染的改进方案,为汽车外部水管理和车身表面污染的仿真研究做出了深入的探索与研究。本文的研究方法和结果对汽车研发过程中减少车身污染的造型设计有着的一定的指导意义,也为今后进一步的车身减污附件研究奠定了基础。
【作者】廖磊；
【导师】胡兴军；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】汽车空气动力学；车轮溅水；车身污染；液滴；

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