基于CFD的整车涉水性能仿真预测

胡颖 汪晓虎 董丹丹

摘 要：发动机气缸进水将直接导致车辆熄火甚至发动机报废，因此避免发动机进气口水入侵是整车涉水性能开发的关注重点。本文采用流体力学的两相流模型和动网格模型建立整车涉水仿真模型。通过实时监测发动机舱水位高度、发动机进气口的水体积分数和进水量来预测整车涉水性能。对标发动机舱内水位高度的实验与仿真结果，验证了此方法可应用于车辆涉水性能的前期预测。整车涉水仿真为发动机进气口水流路径优化提供设计指导。

关键词：计算流体力学 整车涉水仿真 发动机进气口 两相流 动网格

Abstract：The water in the engine cylinder will directly cause the vehicle to stall or even the engine to be scrapped. Therefore， avoiding the water intrusion of the engine intake is the focus of the development of the vehicle's wading performance. In this paper， a two-phase flow model and a dynamic mesh model of fluid mechanics are used to establish a simulation model of the entire vehicle wading. Through real-time monitoring of the water level of the engine compartment， the water volume fraction of the engine air intake and the water inflow， the water performance of the vehicle can be predicted. The experimental and simulation results of the water level in the standard engine compartment verify that this method can be applied to the early prediction of the vehicle's wading performance. The vehicle wading simulation provides design guidance for the optimization of the water flow path of the engine air intake.

Key words：computational fluid dynamics， vehicle wading simulation， engine intake， two-phase flow， dynamic mesh

1 引言

車辆涉水性能是指车辆在暴雨或者一定深度积水路的恶劣环境下能够正常行驶，车辆重要零部件不出现重大失效和功能性损坏的能力。其中，发动机气缸进水将直接导致车辆熄火甚至发动机报废，因此避免发动机进气口水侵入是车辆涉水性能开发的关注重点。

目前车辆涉水性能开发在项目前期主要依靠以往失效模式和经验总结来预测风险并进行设计规避，无法保证预测的精准度，还会造成设计冗余;在项目后期，车辆涉水路驾驶试验是唯一的验证手段，存在验证困难、工程改动成本高和更改周期长等缺陷[1]。

本文采用流体力学方法模拟整车涉水过程中的发动机舱水位高度、发动机进气口的水体积分数和进水量来预测发动机进气口水侵入风险，为整车涉水性能开发提供有利手段[2-3]。

2 理论模型

2.1 两相流模型

本文模拟车辆涉水过程中水和空气交界面变化，水和空气属于两种连续介质且不相融，故采用VOF两相流模型。

VOF模型通过求解连续性方程（1）获得不同时刻第q相流体的体积分数αq来构造和追踪交界面[4]。

2.2 动网格模型

本文采用动网格模型模拟车辆在涉水路驾驶试验中的实际运动状态。动网格模型模拟由于流场域边界刚体运动或者边界变形引起的流体域形状随时间变化的流动问题[5]。

对任意一个边界运动的控制体V，广义标量φ的守恒方程如下：

式中，ρ为流体密度;u为流体速度矢量;ug为动网格的网格速度;为耗散系数;为φ的源项。

3 仿真分析

3.1 网格划分

整车面网格包含整车外表面、车外底盘零件和发动机舱内部零件，乘客舱形成一个封闭体。流体计算域分为4个部分：车前区域、车后区域、车周围的核心区域和过渡区域，如图1所示。核心区域采用贴体性较好的四面体网格离散并对发动机舱区域加密[6]，其余三个区域采用结构化网格离散并在涉水路的水面高度处加密。

3.2 仿真模型及边界条件

本文采用Fluent软件进行整车涉水仿真。本文采用瞬态分析，湍流模型选择k-omega模型，多相流模型选择VOF模型。本文采用动网格模型中的层铺法，根据涉水路驾驶试验中的车速指定网格运动。仿真模型如图2所示，整车表面、涉水路地面和两侧壁面都采用无滑移壁面边界条件。涉水路上方采用压力出口边界条件，相对压力为0。发动机进气口采用压力出口边界条件，根据进气系统压降定义负压。

3.3 流场关键参数获取

本文采用多孔介质模型来模拟中冷器、冷凝器和散热器。水流遇到冷却模块受阻，水位会沿着冷却模块前端上升，而发动机进气口位置一般布置在冷却模块之上，是重要水流路径。

本通过实验设计，如图3所示，测得通过中冷器、冷凝器和散热器的水流流速与压降关系曲线。

多孔介质压降关系为：

式中，一次项系数b和二次项系数a与惯性阻力系数和粘性阻力系数的关系为：

根据公式（4）和（5）求得散热器、冷凝器和中冷器对水流的惯性阻力系数和粘性阻力系数（沿流动方向），如表1所示。

4 对标验证

本文对某车型在涉水路驾驶过程中的发动机舱内水位高度进行实验与仿真对标。

图4为仿真获得的不同时刻车外水面变化情况。车輛行驶的前4秒，水面受到车辆冲击，车头水位高过格栅顶端，车辆受到水的阻力，车速下降并稳定后，车外水面稳定在上格栅下方。

图5为不同时刻发动机舱内（选取冷却模块前端面的水体积分数云图，上方为冷凝器，下方为中冷器）水位高度。车辆行驶的前4秒，发动机舱水位很高，水流冲刷了整个冷却模块前端;车速稳定后，发动机舱内水位在冷凝器中间高度附近，远低于发动机进气口位置，此时不存在发动机进气口水侵入风险。

图6为车速稳定后发动机进气口下方水位高度的实验与仿真对比，实验与仿真结果吻合良好，验证了本文仿真模型的可行性和可靠性。

5 应用

某车型的发动机进气口朝下扣在CRFM 导流板的开孔上，如图7所示，通过仿真分析发现该布置形式会导致大量的水持续涌入进气口。优化发动机进气口水流路径，在CRFM导流板开孔中间增加格栅并在开孔下方增加挡板，如图8所示，优化后的发动机进气口的进水量明显减少，如图9所示。

6 结论

1）在整车开发前期，可通过整车涉水仿真，评估整车涉水性能，预测发动机进气口水侵入风险;

2）通过车辆涉水过程中发动机舱内水位高度的实验与仿真对标，验证了本文仿真模型的可行性和可靠性;

3）在车型开发前期，整车涉水仿真分析对发动机进气口及其水流路径设计具有指导作用，降低工程更改成本，缩短整车开发周期。

参考文献：

[1]王东，陈书帆，余王培.计算流体动力学在乘用车涉水性能开发的应用及发展[J].上海汽车，2020，（4）：9-15.

[2]ZHENG X， QIAO X， KONG F. Vehicle wading simulation with STAR-CCM+[A]. Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress[C]. Berlin： Springer， 2013. 157-165.

[3]KHAPANE P， GANESHWADE U. Wading simulation-challenges and solutions[C]. SAE Technical Paper 2014-01-0936， 2014.

[4]童亮，余罡，彭政，等.基于VOF模型与动网格技术的两相流耦合模拟[J].武汉理工大学学报，2008，30（4）： 525-528.

[5]隋洪涛，李鹏飞，马世虎，等. 精通CFD动网格工程仿真与案例实战[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.

[6]黄劲，余志毅，刘朝勋，等. 基于CFD的两栖车辆水动力导数的计算方法[J]. 车辆与动力技术，2014，30（2）：39-43.