shonDy的汽车涉水仿真

在汽车工业中，涉渡指的是车辆以低速行驶穿过较深水域，如渡河或在洪水泛滥的道路上行驶。 车辆能安全涉渡的深度至关重要，其测量标准是轮胎接触点与发动机进气系统之间的距离。 这一数据的测量至关重要，能够防止水进入发动机，并在进行此类操作时有效保护发动机免受损害。

案例描述

本案例将对上述涉水场景进行仿真。 模拟过程中，车辆将行驶于深度为30厘米的水道中。 该水道的具体尺寸已在下图中详细展示。 本次仿真设置两种车速：2 m/s（约7 km/h）及3.33 m/s（12 km/h）。

模型设计

案例中的水道几何结构是基于上述草图，通过shonMesh生成的表面网格。而车辆的几何结构采用的是DrivAer模型。该模型由德国慕尼黑工业大学空气动力学与流体机械研究所 开发。 作为一种通用化表示形式，旨在填补过度简化的模型（如Ahmed车身）和复杂量产车之间的技术空白。 对于本次仿真，DrivAer模型采用了以下配置：

• 三厢轿车的顶部设计
• 详细底盘结构
• 后视镜
• 车轮

如下图所示：可以看到 STL 文件以及水道的网格。

案例设置

在第一次仿真中，汽车于1秒后开始移动，从0加速至2 m/s，耗时2.5秒，随后以该速度匀速行驶15秒，并在第18秒停止。 因此，总计算时间为18秒，代表汽车完全通过整个水道所需的时间。 在第二次仿真中，由于车速加快至3.33 m/s，车辆仅使用12.5秒即可通过水道，所以整体需要仿真的物理时间更短。 精确的速度曲线可参考下图所示的图表。

在两个仿真中，液体区域的设置保持一致：水道内总共有 15.943 m³的液体，相当于 30 厘米的高度。 在此仿真中，使用了半径为 1.26 cm的流体粒子，共生成了 100 万个粒子。

此案例采用了多种采样方法，包括：

• 车中心线上的采样点
• 车轮周围的采样区域
• 水道内的采样线

这些采样如下图所示。

仿真结果

仿真的总体情况展示在下方视频中。 上一行显示的是慢速行车结果，下一行则显示是快速行车结果。 两个俯视图 (右侧的视频) 清晰地展示了前方波浪扩散的差异：浅水中的表面波速度可以用以下公式近似计算

$v_{wave} =\sqrt{g h}$

其中g是重力加速度，而h则是水的深度。

在这段视频中，对于较慢的汽车，在坡道上（水较浅的地方），波速小于车速；因此，波峰始终位于汽车前方。 而在水道底部（水更深的地方），波速略大于车速，因此波会超过汽车。 在第二个仿真中，汽车的速度始终快于波的传播速度，因此波峰始终位于汽车前方。

以下图片展示了汽车上的覆盖率。 此处，shonDy 的内置时间平均滤波器被用于可视化当前值（在这种情况下为覆盖率），以及特定时间段内的平均值。 在所示的图表中，覆盖率是基于 0.25 秒的时间段进行平均计算的，以便更清晰地了解水是如何打湿汽车的。

同样，上一行显示的是慢速行车结果，下一行则显示是快速行车结果。 通过比较两种速度，可以看出覆盖率分布的区别。 对于行驶速度更快的车辆，它需要应对更高的水波，这导致几乎整个车头部分都受到水的覆盖。 这样可能会导致水进入发动机舱，从而堵塞空气进气口并引发发动机故障。 另一方面，对于行驶速度较慢的车辆，水仅覆盖车头的下半部分，这意味着发动机熄火的风险要低得多。 侧面视图也显示了差异：在行驶速度较快的车辆中，水位在汽车前门附近也会更高。

如下方的图片所示，采样点位于车头中央线上，记录随时间变化的压力。 为了提高可比性，图表中未显示压力随时间的变化，而是显示了压力在汽车质心位置（沿x轴方向）上的分布情况。 为了便于定位，图中沿x轴绘制了水道的轮廓。

总体来说，可以看到汽车最低点承受的压力最大，而随着位置升高，压力逐渐减小。 此外，速度越快，车辆整体上会经受的压力越大。

在高速的情况下，压力图显示初始冲击会产生最大的压力。 这种冲击力足以将水从车辆前方推开，形成显著的初始水波。 大约在12米处，汽车追上这个水波，其前端再次与水面接触。

相比在较低速度下，压力峰值要小得多。 由于车辆速度较低，进入水中时产生的主要水波会移动到车前方，导致较少的水聚集在车前。 因此，较慢车辆的压力图显示，在车辆完全进入水道后，7号点大部分时间都与水面没有接触。

下面这些图展示了体积采样是如何使用的。 在右侧图片中，我们可以看到左轮胎处体积采样的位置。 在图中，显示了车体所在位置的流体体积。 总体来说，前轮需要应对比后轮多得多的水量。 这与上面提到的覆盖率是一致的。 从这张图可以看出，水在车辆前方积聚，而在积水之后，车辆的其他部分则经受了相对较低的水位。

当我们比较高速和低速仿真时，我们观察到了类似的情况：在更高的速度下，前后轮都需要应对更多的水量。

仿真统计概要

仿真版本：2.7

与 2.6 版本的仿真对比