29_基于STAR-CCM+的整车涉水性能分析

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基于STAR-CCM+的整车涉水性能分析

高静，张建立，陈涛

（北汽福田汽车股份有限公司，北京 102200）

摘要：根据某SUV整车数模，利用STAR-CCM+软件，采用欧拉多相流中的VOF模型和k-?湍流模型，进行三种条件下的整车涉水计算。分析了三种不同计算条件下的整车以及冷却模块的溅水高度和溅水面积，计算结果表明，施加空滤器入口、排气管出入口和风扇旋转运动条件都会对涉水计算结果产生一定影响。 关键词：涉水；VOF模型；冷却模块

0 前言

汽车在通过地面低洼有积水的路面时，需要考虑水的飞溅和侵入对汽车性能的影响。本文通过对整车涉水过程进行分析计算，得到在一定水深和车速下，整车外表面及其冷却模块被水浸没和飞溅的高度，为整车外表面污染物分布的分析提供参考，也对冷却模块及其他电子器件的水保护提供参考。

1计算模型及条件

1.1 计算模型

选取某款SUV整车模型，包括整车外形，底盘结构，以及包含前端冷却模块的完整发动机舱内部结构。由于涉水计算关心的是水位高度，为了减少网格数量，计算域宽度设置为5m，高5m，长41.5m，前方3倍车长，后方5倍车长，如图1所示。在水域以及发动机舱设置加密域，共1600万trim网格，体网格内部加密情况图2所示。

图1：计算域

图2：体网格截面

作者简介：高静，张建立，陈涛，北汽福田汽车股份有限公司，性能与分析部，13126832609

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1.2 计算条件

模型中涉及到水和空气两相的混合流动，采用欧拉多相流中的VOF模型，湍流模型为k-?湍流模型。流场入口边界条件设为速度入口，由水和空气组成，水的液面高度设为400mm，入水角度为10°。出口边界条件为压力出口，表压设置为0。车轮旋转，车速设为20km/h。计算中，整个计算域以20km/h速度向前平动，水面保持不动。为了消除地面对水域的粘性作用，地面设置-20km/h的切向速度。流场的顶部和侧面设置为滑移壁面。发动机舱内部有油冷器、冷凝器、中冷器和散热器，计算时均采用多孔介质进行模拟，阻力系数和传热量利用实验数据进行拟合。如下图所示，初始化流场后水相自由液面体积分数分布图。

图3：水相自由液面体积分数分布图

2计算结果分析

2.1 三种计算条件

为了考察涉水计算时边界条件的设置对计算结果的影响，分别设置三种条件进行计算。

表1 计算条件 工况1 工况2 工况3 空滤器入口 Wall Flow split outlet Flow split outlet 排气管入口 无 Mass flow inlet Mass flow inlet 排气管出口 Wall Internal Interface Internal Interface 风扇 静止 静止 转动 工况1的空滤器入口为壁面，排气管为壁面，没有设置入口条件，风扇没有转动。工况2设置了空滤器入口为分离流出口，即计算域内有气体流向空滤器，模拟真实的进气过程。排气管入口为流量入口，排气管内有流动，为风扇没有施加转动。工况3的空滤器和排气管与工况2设置条件相同，风扇转动。

工况1和工况2时间步长为0.005S，迭代次数是10，共计算5S。工况3风扇转动，经过测试，为了保证收敛，将时间步长减小到0.001s，迭代步数是10，共计算5S。 2.2 零部件溅水高度和溅水面积

表2 零部件最大水位高度 油冷器最大水位高度 （mm） 冷凝器最大水位高度 （mm） 中冷器最大水位高度 （mm） 散热器最大水位高度 （mm） 进气歧管最大水位高度 （mm） 空滤器入口最大水位高度 （mm） 工况1 759.1 795.1 790.9 819.8 784.9 885.0 工况2 758.6 819.1 790.9 819.8 795.9 884.9 工况3 758.6 819.7 790.9 819.8 786.1 862.0 STAR 2015 中国用户大会论文集

以地面为零点，如表2所示，工况2和工况3比工况1的冷凝器最大水位高度高出约24mm。油冷器，中冷器，散热器的最大水位高度基本一致。进气歧管最高水位出现在工况2， 工况3的空滤器入口最高水位最小。图4表示的是散热器和冷凝器表面的溅水面积。

散热器 冷凝器

图4：工况1，工况2，工况3散热器和冷凝器表面水体积分数分布图

表3 零部件表面溅水面积 溅水面积 油冷器 冷凝器 中冷器 散热器 空滤器入口

进气歧管 溅水面积 0.039 0.090 0.012 工况1 (m2) 工况2 (m2) 工况3 (m2) 0.062 0.073 0.063 0.164 0.258 0.155 0.200 0.308 0.160 0.287 0.406 0.164 0.004 0.001 0.000 表3中给出了散热器，冷凝器，中冷器，油冷器芯体以及空滤器入口上水飞溅的面积大小。工况3得到的溅水面积最小，工况2的溅水面积最大。图5显示的是进气歧管表面溅水面积，工况2计算得到的溅水面积最大。