达索系统SIMULIA研究各种污染和水管理现象

寂静回声

在过去的几十年里，对节油型汽车的需求越来越普遍。因此，汽车设计更加重视空气动力学以降低风阻。这主要是通过管理车辆的尾流来实现的，同时也导致了更多来自车体下方的空气冲击车辆后部。令人遗憾的是，来自车体下方的空气往往夹杂着尘土和水颗粒，随空气一起冲击车体后方和侧面。在ADAS系统不那么普遍的时候，污染只是对驾驶员的视觉产生影响的安全问题，主要局限于玻璃和镜子表面。车辆其他位置的表面污染主要影响美观。现在随着ADAS系统（特别是在自动驾驶汽车上）数量的不断增长，车辆其他位置的表面污染也成为乘客和交通安全的隐患。大多少汽车公司致力于ADAS和AV的研究，都试图在设计早期阶段发现污染问题。目前，相关研究和实验在全天候风洞内进行，这些风洞拥有受控的表面污染和水管理的条件。然而，这属于人工环境，不能代表真实的道路和气候条件，而且成本高、耗时长。

道路行驶必然会遇到尘土、水和其他污染物。我们不能阻止这种情况的发生，但我们可以设计出性能更好的车辆，以降低污染物对车辆的影响。

最终目的是开发出传感器放置在最佳位置的车辆，尽可能避免污染积淀以及与水的接触。然而，如果仍然需要任何外部清洁设备，那么这种系统的位置也可以优化。

SIMULIA提供解决方案研究来研究各种污染和水管理现象。使用PowerFLOW，开发人员可以依靠详细的空气动力学和粒子流仿真，评估车辆设计目标。仿真使用PowerFlOW进行并以PowerVIZ处理结果。PowerVIZ可以动态地可视化粒子释放到气流中的过程，并计算得出粒子在撞击表面前的运动轨迹。它允许用户在仿真中体现尘土、泥垢、石块和水，从而清晰地理解车辆如何与污染粒子相互作用，让OEM厂商能够更完善地管理车辆表面上的污物。此外，它还能定义表面特性，让表面反射粒子，创建通过发动机舱或车身表面的复杂气流路径。

在本项研究中我们考虑了三种场景，每种场景下摄像头位于车身上的不同位置。

场景1：后视摄像头上灰尘和泥土的堆积

在第一个场景中，我们仿真了灰尘和泥土在后视摄像头上的堆积。这主要是由汽车自己的轮胎（尤其是后轮胎）的溅射导致的。

场景2：盲点信息系统（BLIS）侧后视镜摄像头上的积水

在第二种场景中，我们仿真下雨时盲点信息系统（BLIS）侧后视镜摄像头上的积水情况。研究人员可以针对特定的后视镜设计仿真雨水粒子的行为方式及其与摄像头镜头的相互作用方式进行设计。

场景3：撞击前视摄像头的石屑

在第三种场景中，我们通过研究了解了过往车辆掀起的石屑将如何撞击车辆的前视摄像头并影响其可见性和功能。

在汽车的基准设计模型中，与后轮尾流有关的流线会与尾流涡旋的下部分相互作用。这种相互作用说明存在对流机制，可能会将污染物输送给后尾流。扩散器优化后，强化了后尾流环状涡旋的下横向臂，产生更平衡的尾流。

查看后表面水膜厚度积累图，就可以定性地对比基准设计和修改后的设计。可以看出，对设计进行调整能够改善后表面上的污染物分布及后风挡上的污染积累水平。这种效果值得关注，因为后表面上一些区域保持清洁的重要性比其他区域更大。例如，摄像头、车牌和门把手是需要保持清洁的重要区域：在设计初期阶段通过轻微的设计修改就能实现。

盲点信息系统（BLIS）摄像头通常安装在汽车后视镜下方，用来监视其他车辆，并帮助自动驾驶汽车查看周边路况，甚至是在盲点上的路况。雨滴在撞击后视镜外罩后破碎形成水雾。这种水雾会受后视镜尾流方向的影响。这就导致雨滴沉积在后视镜和摄像头镜头上，造成后视镜和摄像头的视野下降。在基准设计中，大量水沉积在后视镜和摄像头镜头上，影响视野。从粒子撞击后视镜的时间历程来看，可以看到大部分撞击后视镜的粒子来自于后视镜臂的底部。因此对后视镜臂进行改进有助于改变其背后的涡旋，从而改善后视镜和摄像头镜头的污染情况。

仿真技术在评估车载传感器在恶劣天气和道路状况的性能方面很有发展前景。为了减少车体上的污染积累，同时确保雨滴不会妨碍摄像头的视线，各大制造商一直以来付出了大量努力。我们的研究提出仿真方法，用于研究尘土、雨水和行驶中车辆轮胎扬起的碎屑导致的车体后表面和侧表面上的污染问题。这项研究是检查汽车上三个不同位置的摄像头来完成的。此外，也针对如何减少摄像头上的污染积累并保持摄像头清洁提出了设计修改建议。使用本研究工作中采用的流程，可在车辆开发早期阶段发挥虚拟测试的优势，从而消除了对物理原型和测试的需要，特别是对于需要大量传感器的高级驾驶辅助系统（ADAS）和自动驾驶汽车（AV）而言。车辆设计改动造成的空气动力学性能变化超出本研究的研究范围内。然而，可能需要在减少外表面污染和增大风阻之间进行平衡。