29_基于STAR-CCM+的整车涉水性能分析

1、STAR 2016 中国用户大会论文集 论文格式模板基于 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

2、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 ：体网格截者简

3、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，STAR 2015 中国用户大会论文集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

4、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 计算条件空滤器入口排气管入口排气管出口风扇工况 1Wall无Wall静止工况 2Flow split outletMass flow inletInternal Interface静止工况 3Flow split outletMass flow inletInternal Interface转动工况 1 的

5、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工况 1工况 2工况 3油冷器最大水位高度（mm）759.1758.6758.6冷

6、凝器最大水位高度（mm）795.1819.1819.7中冷器最大水位高度（mm）790.9790.9790.9散热器最大水位高度（mm）819.8819.8819.8进气歧管最大水位高度（mm）784.9795.9786.1空滤器入口最大水位高度（ mm）885.0884.9862.0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

7、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工况 1 (m2)0.0620.1640.2000.2870.0040.039工况 2 (m2)0.0730.2580.3080.4060.0010.090工况 3 (m2)0.0630.1550.1600.1640.0000.012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。图 5：工况 1，工况 2，工况

8、 3 进气歧管表面水体积分数分布图2.3 车身表面涉水情况分析图 6：工况 1，工况 2，工况 3 水相自由液面追踪图表 4 车身外表面溅水面积工况 1工况 2工况 3发动机上盖板溅水面积（ m2）0.9761.3670.106车身前部溅水面积（ m2）1.6671.8471.635车身侧面以及后部溅水面积（ m2）2.7663.2091.829进气格栅溅水面积（ m2）0.3430.3860.445总和溅水面积（ m2）5.7516.8094.016如表 4 所示，三种计算条件下，工况 2 计算得到的车身上溅水面积最大，工况 3总的溅水面积 最小。工况 3的发动机上盖板和车身侧面以及后部溅水

9、面积最小，车身前部和进气格栅与工况 1 的 溅水面积相当。图 6显示是在 5s时水相的自由液面。图 7显示的是 5S 时车身表面水体积分布图。图 7：工况 1，工况 2，工况 3 车身水体积分布图2.4 车身底部涉水情况分析图 8 ：工况 1，工况 2，工况 3 水相自由液面速度分布图图 9：工况 1，工况 2，工况 3 水相自由液面分布图（ Z 方向）如图 8 所示，工况 1 和工况 2，大部分水流流向了发动机盖板和两侧，工况 3 车身底部水量较多。图 9 是从 Z 方向向下看发动机舱内水相自由液面分布，工况3 中风扇转动，进入进气格栅的水 流更容易通过风扇流向后面，使得水流向上流向发动机盖板以及流向两侧的水量减小。3 结论 汽车行驶过程中，风扇转动带走发动机冷却液的热量，风扇转动对水有抽吸作用，涉水计算中 会对冷却模块，空滤器入口，进气歧管以及车身表面溅水高度和溅水面积计算结果产生一定影响。 单独应用空滤器入口和排气管出入口条件，使得计算结果偏大。因此建议在进行整车涉水计算时， 为了得到更为准确计算结果，应按照汽车行驶时的真实状态，对空滤器入口，排气管出入口设置边 界条件，