Simcenter STAR-CCM+汽車尾部除塵管理仿真流程
當前，世界仍在實現電動汽車和自動駕駛汽車的承諾。與電動車水/除塵管理相關的挑戰是什么？
除非你所在的地方90%的時間都是陽光明媚的，否則天氣可能是一個變化無常的朋友。對于電動汽車涉水等測試情況，很難進行真實的室外測試。
電動車輛傳感器可能會受到看似平常因素的負面影響。傳感器清洗的研究仍處于早期階段。自動駕駛車輛激光雷達鏡頭的噴霧清洗，需要預測激光雷達傳感器窗口上的噴霧行為和撞擊模式。
在自動駕駛車輛中，攝像頭臟污也會導致能見度問題。這可能會導致行人安全問題，或導致系統禁用。下面顯示了一輛試圖在雨中停車的自動駕駛車輛，以及如果附近有行人行走可能產生的結果。
上述問題的一個顯而易見的解決方案似乎是傳感器應該簡單地放在擋風玻璃后面，而不是前面。但是這樣做會給傳感器帶來許多其它問題。第一個是擋風玻璃的角度：擋風玻璃是彎曲的，因此這會導致傳感器的視圖失真。第二個問題是擋風玻璃的材料。擋風玻璃的設計考慮了人的視覺，而不是傳感器的視覺。傳感器可能無法看到多層擋風玻璃下面。
應對這些挑戰，從CFD仿真模擬角度上目前各大主機廠都在嘗試開展一些工作的。我們來看下圖Simcenter STAR-CCM+的模擬結果示例。
示例顯示了整車水/塵管理的結果，集多種影響因素綜合考慮。通過模擬，工程師們可以做出明智的決定，決定把攝像機放在哪里，如何保護它們，以及它們在各種各樣的場景中的表現。
下面通過一個實際的仿真案例來展示Simcenter STAR-CCM+如何實現模擬分析。
幾何概述
這是一個Sedan車型，研究其后輪甩泥及泥水顆粒隨著背景空氣的流動，同時考察泥水顆粒在汽車尾跡復雜流動作用下的運動形態。用動網格描述車輛輪輞的旋轉；用拉格朗日Lagrangian粒子模型模擬離散泥水顆粒在背景流場作用及自身重力作用的運動，泥水顆粒的噴射從后輪兩個輪胎胎面切向噴出；用Fluid Film液膜模型描述泥水顆粒在車身表面的附著、堆積厚度及流動性。仿真模擬設置的細節詳見下文。
輪輞旋轉設置
后輪輪輞旋轉設置
建立后輪的局部圓柱坐標系，并在此基礎上建立旋轉域。在全局坐標Y向車身外側偏離胎面20mm處建立圓柱面，在全局坐標Y向車身內側超過剎車盤位置建立圓柱面，旋轉域徑向方向上緊貼胎面的內徑。如下圖亮紫色區域所示。
后輪胎及輪輞
輪輞旋轉區域建立：亮紫色所示
總的物理模型選取
需要一個前提，具備外氣動瞬態模擬的基礎，擁有一個正確的尾流結構。在此基礎上，增加拉格朗日多相流（Lagrangian Multiphase）、液膜模型（Fluid Film）和多相相間作用模型（Multiphase Interaction），同時添加重力方程，物理模型選取如下圖：
Fluid Film 物理模型設置
在液膜模型下，新建一相并命名為Water-Film，仍用Shell來承載生成的的水膜，工質采用定常密度的常規的水，并選擇形狀曳力模型，考慮空氣對水膜的靜力作用。具體的模型詳見下圖：
在液膜模型中的流動模型屬性下，設置液膜的最大厚度為1mm，這一厚度大約是第一層棱柱層網格厚度。設置此參數可確保液膜厚度在任何位置都不會超過最大值，如局部超過最大液膜厚度時，任何多出的液體會從液膜和模擬中移除。同時開啟穩定膜厚方程。對應設置如下圖所示：
Lagrangian Multiphase
物理模型設置
在Lagrangian Multiphase下新建一相，重命名為Water-Lagrangian，選擇材料顆粒，工質為定常密度的水滴，考慮曳力、雙向耦合和粒子束損耗，具體的模型如下圖：
關于粒子束損耗（Parcel Depletion），設置類似如下的場函數（X軸的坐標位置取決于具體的車體坐標）
為加快求解速度，如果粒子束的形心坐標超出6m的位置同時粒子直徑小于0.1mm（認為這些是非常小的液滴，可以忽略）會從計算域中移除Lagrangian相。
Fluid Film shell 計算域設置
在空氣主流域中，選擇需要設置液膜生成的邊界，右擊生成 Shell Region。這樣一個新的Shell計算域就被創建，并為其選擇Water-Film模型。
Lagrangian Multiphase
邊界條件設置
返回Lagrangian 多相流模型，查看Water-Parcel的邊界條件：
對于Fluid-Film 交界面，物理條件設置為Fluid Film，如果粒子撞擊到液膜區域或表面即轉化成為液膜；
對于壁面邊界，物理條件設置為Escape（逃逸），如果粒子撞擊到地面或其它壁面，允許粒子逃出計算域。這里是個簡化設置，如果有詳細要求可設置成比例的方式。
多相相間作用 Multiphase
Interaction 模型選擇
返回物理模型Multiphase Interactions，新建一個相間作用：Film-Lagrangian 相間作用。
選擇以下物理模型：
多相相間作用：
相之間的相互作用設置
對于Lagrangian相，選擇水滴相 Water-Parcel；
對于Fluid Film相，選擇Water-Film。
Lagrangian 噴射器設置
Injectors新建一個Stripping Injector （剝離噴射器）
Lagrangian相選擇Water-Parcel，類型選擇Film Stripping （液膜剝離）
針對輸入的零部件Inputs，選擇液膜區域相應的交界面。
此噴射器允許流動的液膜剝離成Lagrangian液滴，例如液膜流經在一個尖角區域會產生剝離。
創建另一個噴射器
新建一個輪胎胎面噴射器Tire Injector。Lagrangian相同樣選取Water-Parcel，類型選擇Part Injector，針對輸入的零部件Inputs，選擇后輪胎面邊界 Rear Tire Boundary。
展開輪胎胎面噴射器Tire Injector ，設置對應的物理值Values，設置所需的質量流率（或者改變邊界條件為體積流率，設定對應的值）；
設置粒徑大小為0.2mm，這一數值是參考相關文獻，是基于實驗結果的，是一個不錯的起點。
設置速度，指定后輪局部圓柱坐標系，速度值設置在θ方向，粒子是與輪胎相切的方向釋放的。當然也可能有其它不同的設置方法（比如考慮從地面濺起的液膜），這里只是個參考案例。
求解器設置
Lagrangian 多相流—隱式非定常Implicit Unsteady
設置最大子步數Sub-Steps =2000（防止無期限追蹤粒子，此設置足夠高，可以在output中查看）
詳細程度Verbosity=High（每100個子步數更新一次，活動粒子數量和最小停留時間）
子步數報告頻率Sub-Step Reporting Frequency=10 （求解器之間的實時報告進度）
更新頻率Update Frequency= Once per Time-Step （一個時間步長內更新一個）這意味著流體/液膜與粒子之間的耦合發生在每個時間步長計算后
有效粒子包截斷比例分數Active Parcel Fractions Cut-off=1.0e-4 這意味著一旦有99.99%的粒子包收斂的，求解器將會停止，而不是在不必要的情況下運行完2000個子步數。
追蹤積分法Tracking Integration Method=2nd Order （二階）
Lagrangian 多相流—Two Way Coupling 雙向耦合
設置最大體積分數為0.3（限制連續相中的源項）
為了確保限制的單元不是一個高的比例，需要監測限制單元的數量。
Shell Source Smoothing Method → Set to Cell Cluster → Absolute
Cluster Length → 將該值設置為稍大于殼（shell）表面上的最大表面尺寸。這允許Lagrangian 粒子撞擊可以在幾個單元上分布開來，避免在單一液膜單元中出現較大的源項。以增加數值的穩定性。
后處理
液膜厚度可視化標量場景，以獲取積水的情況。對于粒子的顯示，采用Lagrangian多相流Water-Parcel，可監測粒子在流場中的瞬態變化。
結語
以上案例，從求解模型設置的方面說明了汽車后輪除塵管理仿真在Simcenter STAR-CCM+中實現的具體過程。此仿真過程初始化瞬態流場的時間是20s，監測粒子的時間是6s。模型整體網格量在千萬級別，采用變動的時間步長，計算時間較快，完全滿足工程需求。
實際中，車身污染來源于“輪胎噴霧”，地面上含有污物的積水因為輪胎的高速旋轉、擠壓，水霧懸浮在輪胎尾渦里，伴隨著背景流場飛濺到車身上。車身側面污物主要來自前輪，車身背面的污物主要來自后輪。
那么仿真對實際有什么指導意義呢？根據一般工程經驗，輪胎飛濺泥水污染的優化方向一般有以下四種：
? 輪胎擾流板—控制車輪附近渦流
? 擋泥板—降低輪胎飛濺
? 底盤護板—為后部提供更平順的氣流
? 擴散器—可以改變渦流位置
除塵方案的添加直觀上會改善車身污染的問題，但同時會影響到車輛其它性能，比如空氣動力學指標。因此任何一種措施都不是絕對的，借助仿真手段可以做更多更廣地分析，兼顧更多的性能，以達到更優的性能。
文章來源：STAR CCM Online
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