基于SPH方法的純電動車涉水仿真研究

李 賽，左輝輝，康 寧，閆小俊

（1.上海汽車集團股份有限公司乘用車公司，上海 201805；2.李斯特技術中心（上海）有限公司，上海 201805）

隨著社會的發展，能源和環境問題成為制約汽車行業可持續發展的兩大難題，所以發展純電動汽車和汽車電氣化逐漸成為保障能源安全和轉型低碳經濟的重要途徑[1]。當前，國際上的各大知名廠商也紛紛將純電動車的開發和銷售作為其主要戰略目標[2]。在如此激烈的競爭中，如何進一步縮短項目開發周期并降低成本將成為企業制勝的關鍵。先進的虛擬仿真技術具有成本低、設計自由度高以及靈活性強等特點，并且能夠將項目后期的開發任務提前至項目前期來完成，已經成為項目開發中不可或缺的關鍵技術[3]。

整車水管理主要是研究汽車在淋雨、涉水、雨霧、洗車等工況下的防水性能，是整車開發中的關鍵性能指標，同時也是消費者最能感知的性能之一，所以水管理在整車開發中的地位也越來越重要，特別是純電動車和混合動力車[4]。因為車輛在涉水和雨淋工況下，高壓動力電池以及相應的電氣附件很容易發生損壞和短路，從而導致嚴重的后果[5]。

涉水是整車水管理中一個重要子項，已經引起了國內外學者的濃厚興趣[6-10]。然而，在前人的數值仿真研究中，主要使用的還是VOF（Volume of Fluid）法。這種數值方法采用的是歐拉框架，要求對計算域進行網格劃分。由于整車零部件較多，所以網格劃分工作量很大，并且對于涉水來說，車的運動規律也較為復雜，包含車下坡、上坡以及車輪轉動等，VOF方法較難定義如此復雜的運動邊界，往往需要進行一些簡化[11]。近年來，一種新的CFD方法——光滑粒子流體力學（Soothed Particle Hydrodynamics，SPH）得到快速發展，并逐漸應用到流動仿真中[12]。SPH方法采用的是拉格朗日框架，不需要劃分網格，從而避免了VOF方法的網格細化、重構以及扭曲等問題，并且可靈活定義邊界的運動規律，使涉水仿真更簡單且接近實際。然而，關于SPH方法的涉水仿真研究還比較少。

綜上所述，本文將采用SPH方法，建立某純電動車的涉水仿真模型，并結合涉水試驗，研究車輛在涉水過程中車身內外水的流動和分布規律，重點評估電驅系統減速器呼吸孔和空調系統進風口的涉水性能，對純電動車水管理的優化設計具有重要的指導意義。

1 試驗系統及方法

車輛涉水試驗在某涉水試驗基地完成，如圖1所示。其中，涉水池的結構如圖2所示。

圖1 某涉水試驗基地

圖2 涉水池的結構

實車狀態為項目前期某樣車。試驗工況為淺水涉水，車速為30±3 km/h，水深為150±10 mm。試驗時，通過攝像機記錄關鍵零部件（電驅系統減速器和空調系統進風口等）周圍水的流動和分布情況。

1.1 仿真工具介紹

1.1.1 SPH方法介紹

SPH方法最初應用于天體物理學領域，用來模擬非對稱物理現象[12]。由于其穩定性和預測性較好，所以逐漸擴展應用到流體力學領域，在解決具有自由表面以及大變形等流動問題方面具有顯著優勢[11]。SPH法基于拉格朗日框架，是一種無網格方法，該方法的基本思想是將連續的流體或固體用相互作用的質點組來描述，各質點上承載了各種物理量，包括質量、壓力、速度等，通過求解質點組的動力學（Navier-Stokes）方程，以及跟蹤每個質點的運動軌道，即可求得整個流場的分布和發展。

1.1.2 基于SPH方法的仿真工具介紹

本文采用基于SPH方法開發的PreonLab軟件進行后續的仿真研究。

AVL PreonLab是一款功能強大，無需網格劃分的CFD仿真軟件。在國外，PreonLab已被全球眾多知名汽車廠商所使用，如寶馬、特斯拉、克萊斯勒、沃爾沃、菲亞特、雷諾等。同時，PreonLab由于其操作簡單、計算結果準確等特點也受到了越來越多中國用戶的歡迎和認可，如中國重汽、華晨寶馬、舍弗勒中國、吉利商用車、上汽紅巖等。

PreonLab軟件的特點是不需要生成網格，避免了網格細化、重構以及扭曲等問題；計算速度快，對計算資源要求低；具有非常強大的結果后處理器，能夠真實地反映流體運動過程中的變化規律以及流場的分布情況。如圖3所示，PreonLab的應用領域也非常多樣，包括：車輛涉水、雨水管理、變速器/曲軸箱的潤滑、電機冷卻、油箱的灌注/晃動和飛濺、雪場景仿真等，適用于解決各種復雜結構中具有自由表面以及大變形的流動問題。

圖3 AVL PreonLab的應用領域

1.2 仿真模型的建立

因為本文采用AVL PreonLab進行仿真研究，所以仿真流程將基于PreonLab軟件的工作流程進行敘述。

1.2.1 幾何模型準備

PreonLab無需網格劃分，所以極大地降低了模型前處理的工作量，僅需將整車和涉水池的CAD數模直接導出PreonLab支持的表面網格文件即可，如STL格式的文件。其中，整車模型和涉水池模型與試驗保持一致，如圖4所示，整車模型包含完整的子系統，包括車身、底盤、動力電池系統、電驅系統、冷卻系統、車輪等。

值得注意的是，PreonLab采用單層粒子對幾何表面進行離散，能夠很好地捕捉幾何模型的詳細結構。圖5為空調進氣格柵處幾何結構和離散結構的對比，其中粒子直徑為5 mm。

圖4 整車模型和涉水池模型

圖5 空調進氣格柵處幾何結構（左）和離散結構（右）的對比

1.2.2 運動規律定義

在實際涉水過程中，水池保持靜止，車輛緊貼水池底部行駛，包含下坡、平地和上坡。試驗時車輛由駕駛員操控，在整個過程中車速會保持在一定的范圍內波動。

仿真時，PreonLab支持定義整車和車輪真實的瞬態運動規律（平動和轉動）。由于試驗時未采集瞬態車速信息，所以仿真按試驗平均車速32 km/h進行后續研究，共計花費約3.4 s的時間通過涉水池。

1.2.3 液體初始化及求解器設置

仿真時，在涉水池中初始化150 mm深的水。流體物性及求解器的設置，見表1。其中，PreonLab采用隱式算法求解，允許設置較大的時間步長，進一步提高計算效率。

表1 流體物性及求解器設置

根據AVL在車輛涉水方面的仿真研究成果[11]，采用粒子直徑5 mm進行仿真研究。在保證仿真精度的前提下，可通過限制有效計算域的方法來進一步提高計算效率。有效計算域長度的選取，請參見2.1小節的內容。

為了方便對仿真結果的監測和輸出，PreonLab集成了很多傳感器，可直接輸出包括液體自由表面高度場、速度場、流量、濕壁面積、濕壁時間以及液體運動跡線等仿真結果，用于對當前設計進行分析和評價。

2 結果與分析

2.1 有效計算域長度

涉水初始，車頭遠端的水處于靜止，為了提高仿真計算效率，可以先暫時使這部分水不參與計算，當水波傳到該區域時再使其參與計算。為了保證仿真準確性，有必要對有效計算域的長度進行研究。

2.1.1 車前計算域長度

仿真車速為32 km/h，車前計算域長度（車頭與計算域邊界的距離）分別為：1.0 m、1.6 m、2.6 m、3.6 m。仿真時間為1.1s，此時車已完全進入涉水池的水平段。

圖6 不同車前計算域長度下液體自由表面高度

圖7 不同車前計算域長度下液體速度場

圖6和圖7分別為不同車前計算域長度下液體自由表面高度和速度場的分布結果。由圖6可知，由于車速較快，水波的傳播距離較短，僅在車前形成一道水波，車身兩側濺起的大量水花主要來自車輪的作用。所有仿真結果中，車身兩側濺起的水花高度和車前波的形態基本保持一致，只有車前少許飛濺的液滴由于計算域長度的原因導致結果有區別。由圖7可知，不同計算域長度下的水速度場差別很小，肉眼幾乎看不出明顯區別。

圖8為不同車前計算域長度下減速器濕壁面積占比的統計結果（因為涉密，文中所有圖表均未注明坐標值），左邊坐標為瞬時濕壁面積占比，右邊坐標為累計濕壁面積占比。由圖可知，各長度下瞬時濕壁面積占比曲線基本重合；總體上累計濕壁面積占比的偏差也不大。其中，與3.6 m的累計濕壁面積占比結果相比，1.1 s時刻，1.0 m、1.6 m、2.6 m的偏差分別為-2.3%、-1.2%、1.1%。

圖8 不同車前計算域長度下減速器濕壁面積占比

總之，不同車前計算域長度下車前波的宏觀形態和分布基本相同，主要是因為仿真工況車速較高，車前波的傳播距離相對較短，仿真選取的車前計算域長度大于波的傳播距離。為了節約計算時間成本，通過綜合分析，取車前計算域長度2.6 m進行后續仿真研究。

2.1.2 車后計算域長度

仿真車速為32 km/h，車前計算域長度為2.6 m，車后計算域長度分別為：1.0 m、2.0 m、5.0 m。仿真時間為1.6 s，此時車處于涉水池水平段的1/3位置。

圖9為不同車后計算域長度下液體的自由表面高度分布。由圖可知，車后計算域長度對車前波形態的影響很小。其中，速度場分布也基本相同，由于篇幅限制，不再展示。

圖9 不同車后計算域長度下液體自由表面高度

圖10為不同車后計算域長度下減速器濕壁面積占比的統計結果，各曲線幾乎完全重合，總體偏差很小，在1%以內。

圖10 不同車后計算域長度下減速器濕壁面積占比

總之，車后計算域長度對車前波的形態以及關鍵分析部件的仿真結果影響不大，為了節約時間成本，取車后計算域長度2.0 m進行后續仿真研究。

2.2 電驅系統減速器呼吸孔涉水性能

仿真工況與試驗工況保持一致，車前、后計算域長度分別為2.6 m和2.0 m。仿真時間3.4 s，包含整個涉水過程。其中，粒子數約5 000萬個，仿真花費1天14小時（32核CPU）。

2.2.1 仿真結果與試驗結果的對比

圖11為減速器呼吸孔浸水仿真與試驗的對比。由圖可知，仿真與試驗有很好的一致性，均觀察到減速器呼吸孔被水浸濕的現象，且仿真和試驗中水的流通路徑完全相同：水由車身底部（無下護板）涌入機艙，然后撞擊防火墻，并反彈至呼吸孔位置。

圖11 減速器呼吸孔浸水仿真與試驗對比

2.2.2 減速器呼吸孔浸水分析

由于試驗測得的視頻數據有限，下面將基于仿真結果進行分析。

圖12為3.4 s時刻減速器的濕壁時間云圖。由圖可知，在整個涉水過程中，減速器側基本上一直被水浸濕。其中，呼吸孔被水浸的總時間為1.7 s，占有效涉水時間（從車輪開始接觸水面到車駛出涉水池，2.8 s）的60.7%。

圖12 3.4 s時刻減速器濕壁時間云圖

為了準確地統計呼吸孔位置水的體積，在呼吸孔外圍添加了一個體積傳感器，如圖13紅色框所示。其中，藍色實線為水體積隨時間的統計結果。實際仿真在0.65 s時，車輪才接觸水面，由圖可知，在0.80 s時刻已經有水開始浸濕呼吸孔，在1.45 s時達到約8.4 ml，然后在2.82 s時水體積開始迅速減少。其中以8 ml為閾值，統計大于該閾值的總時間約為1.3 s。

圖13 呼吸孔周圍聚集水的體積

基于上述分析，對減速器呼吸孔進行了優化，通過增加防水呼吸帽等設計，使呼吸孔處達到IPX6防水等級，如圖14所示。最終，試驗驗證了此設計能夠確保電驅潤滑油不進水。

圖14 呼吸孔優化方案

2.3 空調系統進風口涉水性能

仿真工況和設置同2.2小節。

2.3.1 仿真結果與試驗結果的對比

圖15為空調系統進風口進水仿真與試驗的對比。由圖可知，仿真與試驗結果相一致，均觀察到空調系統進風口進水的現象：大量的水從排水孔倒灌進集水槽，進而飛濺到進風口內。

圖15 空調進風口進水仿真與試驗對比

2.3.2 空調系統進風口進水分析

為了探究排水孔水倒灌的路徑和原因，基于跡線傳感器輸出了濺入進風口水的跡線，如圖16所示。由圖可知，涉水時，大量的水在車輪的作用下涌向輪罩，并沿著輪罩向上流動，從輪罩的缺口（因安裝懸架而設計）處進入機艙，由于此時流速仍然較高，最終從排水孔倒灌入集水槽，從而進入空調進風口。

圖16 飛濺入進風口水的跡線

由于排水孔和進風口的形狀不是很規則，為了準確統計流經該處的水流量，基于PreonLab可定義任意截面形狀流量傳感器的功能，分別測量了流經排水孔和進風口的水流量和體積，如圖17所示。由左圖排水孔的統計結果可知，經過0.81 s，水開始大量從排水孔倒灌入集水槽，此時車前半部分已進入涉水池的水平段，然后一直保持很高的流量水平，直到2.50 s時刻流量才迅速降低，此時車前輪開始上坡。整個涉水過程，累計從排水孔倒灌的水體積約為1.4 L。由右圖進風口的統計結果可知，經過0.95 s，水開始大量濺入進風口，然后在整個涉水過程中都有水濺入，并且分別在入水階段和出水階段出現流量波峰。入水階段出現波峰主要是因為此階段從排水孔倒灌的水流量較大，相應地濺入進風口的流量也越大。出水階段，雖然此時排水孔不再有大量水倒灌，但是此時集水槽中已積聚了大量的水。當車駛出水面后，車身底部受力減小，車身在重力和懸架模型的作用下開始下降，由于慣性，集水槽中積聚的水仍保持之前的狀態，從而導致部分水重新濺入進風口，形成流量波峰。整個涉水過程，累計濺入進風口的水體積約為0.1 L，約占排水孔水量的7.2%。

圖17 流經排水孔和進風口的水流量和體積

基于上述分析，可通過改變排水孔位置或增加遮擋等方案，來避免該現象發生。后續，在排水孔處增加擋板，并進行了仿真驗證，如圖18所示。由于進風口進水主要發生在車入水階段，所以仿真時間設置為1.5 s，其它參數設置保持不變。

圖18 排水孔增加擋板仿真方案

圖19為排水孔和進風口的水流量和體積與原設計的仿真結果對比。由左圖排水孔結果對比發現，優化后進入排水孔的流量變化不大，累計水量降低很少。但是，從進風口結果對比發現，優化后進入進風口的流量和累計水量均降低很多，其中1.5 s時刻，累計水量降低了約51.9%。新增擋板雖然沒能減少進入排水孔的流量，但是卻改變了進入排水孔后水的速度和方向，從而使進入進風口的水量大幅減少。后續，沿著此方向繼續進行優化，最終通過設計橡膠單向閥結構，如圖20所示，完全解決了進風口進水問題，并經過了試驗驗證。

圖19 增加擋板后流經排水孔和進風口的水流量和體積與原設計的對比

圖20 橡膠單向閥結構及功能

3 結論

基于SPH方法，建立了某純電動車的涉水仿真模型，并結合涉水試驗，研究了車輛在涉水過程中車身內外水的流動和分布規律，重點分析了電驅系統減速器呼吸孔和空調系統進風口的涉水性能，主要結論如下：

（1）在高速涉水工況下，車前波傳播距離相對較短，可以通過限制有效計算域的方法來提高計算效率。經研究，在車速32 km/h下，車前、后計算域長度分別取2.6 m和2.0 m，可在保證仿真精度的同時，大幅提高計算效率。

（2）研究發現，電驅系統減速器呼吸孔浸水嚴重，浸水總時間為1.7 s，占整個有效涉水時間的60.7%，其中呼吸孔周圍水量大于8 mL的總時間約為1.3 s。最終通過增加呼吸孔防水等級（IPX6），通過了試驗驗證。

（3）研究發現，空調系統進風口進水較多，主要進水路徑為：大量水在車輪的作用下從輪罩缺口進入機艙，并從排水孔倒灌入集水槽，從而進入空調進風口；整個涉水過程，累計從排水孔倒灌的水體積約1.4 L，其中有約7.2%的水進入進風口。最終通過設計橡膠單向閥結構，確保了空調進風口不會進水，并通過了試驗驗證。

（4）驗證了AVL PreonLab仿真軟件的功能，證明它能夠高效地支持車輛水管理的優化設計。說完成本文一個涉水工況的研究僅花費2～3天，包括前處理、計算和結果后處理，從而大幅縮短了項目開發周期并降低了成本。