下雨天堵车关CFD什么事？
每次碰到下雨天，都要纠结要不要开车！不开车淋成落汤鸡，开车却在路上堵成狗。而关于下雨天堵车的原因也是众说纷纭，有人说是因为雨天路滑，需要小心慢行；也有人说是因为下雨天前风挡和侧窗都被雨水淋的模模糊糊的，看不清外面的路况，所以只能小心慢行。作为一个既活泼又严肃的流体工作者，怎能不把可以模拟全宇宙的CFD拿出来操练一番，看看这路怎么就堵成狗了？
01
刷不干净的前风挡?
雨水打到前风挡上，阻碍视线，可以开雨刮器把雨水赶走。可是雨太大了，雨刮器刚划过的区域就立刻被新落下来的雨水覆盖了怎么办呢？那就增大雨刮器的小马达，让它转的再快一点，可是雨刮器最高档位下的周期通常为0.5-1秒。如果雨刮器转的再快，雨刮器本身就会阻碍视线了。还有，雨刮器在达到前挡边缘开始回撤的时候，还会将堆积的雨水部分带回，形成一层水膜。这些都对前风挡的视野提出了挑战。
除此之外，雨刮在一个运动周期内能否有效的覆盖主要的区域也值得关注。现在常用的雨刷形式包含平行式雨刷和对开式雨刷，平行式雨刷最大的优点是它可以在副驾侧使用稍短的雨刷条，而相应的缺点，也正是由于副驾侧雨刷短小，所以在刮水时，副驾驶位的右上角则比较容易出现盲区，同时副驾雨刷在达到最高处的时候还处在前挡中部，可能会残留水膜在前挡上。
对开式雨刷相对于平行式雨刷而言，它的连杆机构要比平行式雨刷长，因此对开式雨刷的副驾驶位覆盖面积比平行式雨刷要大，相对来说没有那么大的盲区。只不过，对开式雨刷却比较容易出现前挡中部挂水的情况，影响视线。
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侧窗的视野问题
除了前挡之外，侧窗能否在雨天保持清晰也对安全驾驶起到至关重要的作用，驾驶员通过侧窗观察后视镜而在侧窗上留下的投影区称为主视野区，该区域的清洁对于行车安全至关重要。另外，驾驶员通过侧窗直接向外观察在侧窗留下的投影区称为第二视野区，也会在一定程度上影响车辆的安全驾驶。
因为侧窗通常与来流平时，所以大家会认为在高速气流作用下，侧窗不会有过多的水滴或者水膜残留。然而，汽车特殊的构型也会对侧窗产生三个方面的水污染来源：(a) 从前挡中下部滞止的气流会绕过A柱流向侧窗，这部分流体会形成讨厌的A柱涡流，并从前挡挟裹着大量的水滴直接作用在侧窗，形成很多离散的水滴；(b) 由于雨刷会把大量的雨水堆积在A柱台阶处，部分雨水可能在气流作用下越过A柱，在侧窗上形成一股清晰的溢流；(c) 后视镜尾流中携裹的水滴在低速环境中也可能作用到侧窗上。
03
后风窗的问题
对于三厢车或者溜背SUV的后风窗，通常不需要雨刮器，因为其后风窗往往处于高速气流作用区域，没有滞止和低速涡流区的作用，通常能够保持相对干净的状态。
可是对于标准的SUV，其后风窗往往需要安装后雨刮来保持清洁，因为SUV的整车尾流往往包裹住后风窗，使得整个后风窗处于低速区，尾流携带的水滴作用到后风窗上，会显著影响后风窗的视野。当然还有一些SUV在尾翼处开槽，一方面可以增加整车的运动感，另外还可以诱导高速气流来清理后风窗。只是这种尾翼开槽的方式可能会引发噪声的问题，需要格外的小心。
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实验的局限性
不同于路试测风噪或者油耗，只要风不是太大，标准试车场跑起来基本就可以测试。但是车辆水管理的路试则要看天气的脸色，毕竟也不能为了一个路试，就请求“人工降雨”。还有不同次的自然降雨条件具有很大的不确定性，实验不具备很强的重复性和定量的可对比性。当然在路试中定性的研究水管理的性能还是可行的，比如是否出现了A柱溢流的现象，不同车速下溢流的情况，后视镜镜片的水污染情况等等。
既然路试有点困难，那就人为的创造降雨的环境，于是环境风洞就应运而生了。可是，环境风洞想要真实还原车辆在真实路面工况行驶下的降雨工况依然非常困难。环境风洞中往往使用固定喷头喷水，形成的粒子直径更加规则，而真实降雨的水滴直径则呈现更加不规则的分布；而且环境风洞也很难满足真实大雨工况的降水量。
另外，在实际路面上行驶的时候，真实的非定常来流以及前车的尾流都可能会加剧整车表面的水污染情况，而环境风洞想要模拟更加真实的来流工况也具有一定的挑战。特别的，风洞中水膜覆盖的量化往往还需要借助荧光剂。
05
CFD的机会和挑战
利用实验模拟水管理的性能充满挑战，那么CFD的机会就来啦？
对于整车在雨水工况下的CFD仿真，由于水滴颗粒的尺寸往往在0.3mm左右，在空气中具有很好的跟随性，因此仿真需要考虑气动力对水滴粒子的作用。同时在大雨工况下，较密的雨水分布又会反过来影响气流的分布，所以气流和水滴粒子之间的双向耦合计算是准确模拟粒子运动轨迹的关键。除此之外，水滴粒子在重力、表面张力和气动力的共同作用还会产生破裂。同时，水滴撞击到壁面的时候还会发生部分贴合在壁面上，而另外一部分破碎成更小的颗粒并反弹回流场中。
而对于整车级别的雨水仿真，其水滴粒子数目可能要上百万，如果使用两相流模型，计算量可能要把一个服务器算爆了。如果使用简单的源项添加粒子又无法准确模拟水滴粒子和壁面以及气流的相互作用及其粒子的复杂运动轨迹。
目前在整车雨水管理方面，更加适合的计算方法是在CFD计算中耦合颗粒流模型，即不考虑粒子的形状，将水滴粒子以符合实际的分布方式在车前部距离车头一定距离处，以雨水发射器的模式投入流场中，并伴随着气流流到车身附近，同时考虑粒子的破碎以及和壁面的相互作用。颗粒流模型和LBM方法基于粒子速度分布函数的思想不谋而合，因此搭载颗粒流模型的LBM几乎不会增加过多的资源消耗，便可以准确的评估降水对汽车水管理性能的影响。
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优化方案得不到风阻风噪的认可？
为了抑制雨水从前挡绕过A柱流向侧窗，最简单的做法就是在A柱台阶处增加雨水槽，让雨水在A柱根部顺着水槽流下。但是水槽的凸起可能会引起额外的风阻或者风噪问题。于是在A柱和前挡之间增加一个凸起的台阶，有助于阻碍溢流，对于风阻风噪的影响也不会太大。
而关于A柱型面的设计则更加复杂，比较通用的思想是尽可能的削弱A柱涡流，在侧窗前部形成光顺的高速来流，以便清理侧窗表面的水滴和水膜。或者减小A柱涡流的尺度，让其作用区域主要集中在侧窗的上部，避免A柱涡流携带过多的水滴作用在侧窗的主要视野区。当然，过于光顺的侧窗前部来流又可能会诱发风振问题，所以流体工程师的工作就像打地鼠，你以为打掉了一个？其实其他的地鼠已经准备钻出来骚扰你了。
关于后视镜的设计，比较主流的做法就是在上部靠近尾部的地方增加水槽，让雨水在流入尾流之前就落入水槽中，但是这个水槽的坑爹之处在于它的尺寸往往很小，而前方来流又是非常光顺的高速气流，此处很容易引起高频的啸叫，需要小心处理。另外就是要尽量避免后视镜和镜柄尾流直接作用于侧窗，则可能会携带水滴粒子到侧窗表面。但是后视镜的尾流形态往往又和风噪性能息息相关，前面的文章有明确介绍过，最好的后视镜尾流设计是与侧窗平行，此处依然是同样的道理。
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值得关心和思考的问题
车身水污染从本质上来说就是一个瞬态的问题，如果使用定常的CFD耦合水滴粒子进行模拟，往往得到的结果和实际会有非常大的差异，比如A柱涡流实际上是上下摆动的，在上下摆动的过程中则会将水滴粒子打到更多的侧窗区域，而稳态结果则会将粒子固定在某些区域。另外，真实的湍流工况也会进一步加剧车身表面的水污染。
关于仿真车速的选择：由于雨天环境下，车辆的行驶速度往往要降低，然而具体使用多大的车速来模拟则成了一个难题。我们来看一个有趣的案例，捷豹路虎分别使用仿真和实验研究了某车型在80km/h和100km/h工况下的A柱溢流情况。可以看到两种工况下，溢流的路径差异明显，更高速度下，A柱涡流的作用力更强，将溢流按在了A柱台阶附近，但是高速工况下侧窗的离散水滴分布更多。因此更合理的建议是使用较低的车速进行仿真优化，而在车型开发的关键节点时，不同车速的水管理性能都要验证。
