中國汽研風洞中心自2023年成立汽車先進水管理創新工作室，致力于開展汽車水管理領域前沿科技研究。經過近兩年的探索發展，工作室在風洞降雨測試技術、基于SPH方法的復雜流體仿真技術等方面取得階段性成果。下面將以分期分享的形式，對相關成果進行詳細介紹。

一、概述

試驗模擬技術中，風雨場是一種模擬自然風雨環境的試驗裝置、場景，它結合了風洞技術和噴雨裝置，可同時產生風速和降雨效果[1]。驗證車輛在雨天時的雨污防護性能和車窗視野性能等試驗場景中，降雨噴頭會均勻布置在風洞出口處，水速方向和風向平行，以獲得更加均勻的風雨場。目前，汽車風洞中普遍使用“噴雨”機構布置方式，但是此布置方式與自然降雨環境差異較大，難以憑借水文和水力特征定義降雨強度特征。因此，對應雨滴與測試對象之間的相對速度，以及雨滴速度分布均勻性成為特別關注的因素。

為了對環境風洞試驗室中的“噴雨”機構的建設和優化提供參考，中國汽研通過采用PIV（粒子圖像測速）技術，對噴雨式風雨速度場進行了精密測量，精確捕捉了環境風洞內雨滴粒子隨氣流運動的速度變化與空間分布特征。

二、中國汽研環境風洞試驗室

中國汽研環境風洞試驗室為3/4開口式回流風洞，試驗段長寬高分別為：18 m×13 m×8 m，風洞內來流速度0～200 kph可調，湍流強度≤1.5%。為實現逼真的“噴雨”模擬效果，試驗室優化了原有降雨格柵結構，集成了72套快插型實心錐噴霧噴嘴，在標準驅動水壓下，能夠穩定地生成120°的實心水錐面，從而精準模擬降雨場景。

三、實驗裝置

本次實驗采用PIV測量系統由200 mj雙腔雙脈沖激光器，激光器片光源，PCO edge 5.5M跨幀相機，分辨率2560×2160，時序同步器及PIVview等相關配套軟件構成，配置參數如表1所示。

表1PIV系統配置

四、工況設置

在風洞實驗室中主要通過噴射氣流的帶動作用形成風雨場環境，車輛保持靜止狀態，通過調整來流速度來復現不同車輛行駛狀態。為全面探究風洞常規試驗場景的風雨場速度分布情況，本次實驗設置風速工況：60 kph、80 kph、100 kph、120 kph、160 kph。

圖3 PIV測量位置示意圖

如圖3所示，PIV系統的圖像采集點布置于距離噴口X=2.2 m~3.8 m、高度Z=1 m~2.4 m的平面區域內，基本覆蓋大部分乘用車從進氣格柵至風窗頂端的空間區間。另外，為補充環境風洞中風雨場的空間分布數據，測量過程中進一步在Y=0 m、0.8 m、-0.8m三個特征平面上分別進行采集測量工作。

五、試驗結果

圖4 PIV拍攝的雨滴粒子運動圖像

試驗測量結果在pivview軟件環境中進行后處理計算流程，實現了判讀區域設置、FFT互相關性分析、后處理優化、數據輸出等處理步驟，相關結果如下：

5.1 雨滴粒子速度分布

圖5 雨滴粒子速度分布場@60kph

圖6 雨滴粒子速度分布場@80kph

雨滴粒子在噴射氣流的“攜帶”作用下沿X軸方向逐漸遠離噴口，其運動速度呈現“漸進式”增加趨勢。

圖7 雨滴粒子與氣流速度差異分布

如圖7所示，雨滴粒子與氣流之間的速度差異顯著，但此差異隨著X軸方向上與噴口距離的增大，以及雨滴粒子持續加速，而逐漸趨于減小。

5.2 雨滴粒子速度分布均勻性分析

圖8雨滴粒子速度分布均勻性分析@60 kph

圖9雨滴粒子速度分布均勻性分析@80 kph

如圖8、9分別列出了常用工況下中各平面的速度對比情況、并引入了速度變異系數*（系數越小說明一致性越佳）作為評估指標，Y向速度分布的變異系數≤4.1%，Z向高度上雨滴粒子速度分布變異系數均小于等于5%。

*變異系數即標準差與平均值的比值，用于衡量數據離散波動性。

六、說明

中國汽研環境風洞試驗室應用PIV技術測量風雨場速度，精確捕捉雨滴速度分布，提出了空間雨場內速度均勻性的評估方法。根據本次測量結果，雨滴粒子越靠近X向下游位置，其速度與風速的差異率越小（≤15%@X=3800）。同時，X向下游位置雨滴粒子在Y向的速度分布也展現出良好的均勻性，為車輛在“噴雨”式風雨場中的安裝設置提供了數據支撐。

同時，中國汽研面相行業推出了PartoX復雜流體環境仿真軟件，采用基于新型SPH無網格方法的求解器，適用于任意復雜壁面和界面的流動問題，能夠完美覆蓋整車及部件水管理開發典型場景。基于此項PIV測量結果，得到風洞試驗場景下的真實風/雨速度場及負載、雨滴粒徑及分布結果，用于定制雨水模型、映射及修正表面張力、氣動力負載模型等，確保仿真分析與試驗測試結果一致性。

下期分享將展開PartoX復雜流體環境仿真軟件的涉水場景（耦合結構強度）案例介紹，敬請期待!

參考文獻

【1】Liu Q , Liu H , Zhou Q ,et al.Numerical research on rain field intensity and uniformity of a high-velocity rain wind tunnel[J].IOP Publishing Ltd, 2024.DOI:10.1088/1742-6596/2820/1/012073