唐榮江 張成 陸增俊 肖飛 施朝坤

（1.桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，柳州 545005）

重型載貨汽車底部塵土污染仿真與抑制＊

唐榮江1,2張成1陸增俊2肖飛2施朝坤2

（1.桂林電子科技大學(xué)，桂林 541004；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，柳州 545005）

針對(duì)某重型載貨汽車在低速行駛過程中的塵土污染問題，建立車輛與整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域模型，并將模型導(dǎo)入CFD軟件進(jìn)行仿真。由仿真結(jié)果可知，空氣經(jīng)過冷卻風(fēng)扇后，部分氣流吹向車輛底部地面造成局部揚(yáng)塵污染。據(jù)此提出2種改進(jìn)方案，并進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，延長護(hù)風(fēng)罩和增加導(dǎo)流板對(duì)揚(yáng)塵有很大的抑制作用，分別使污染區(qū)域減少58.9%和50%，車輛底部空氣流場(chǎng)明顯改善。

1 前言

我國道路情況復(fù)雜，路面上普遍含泥土、積塵，而機(jī)動(dòng)車路面污染來源主要是行駛過程引起的道路二次揚(yáng)塵。對(duì)于塵土污染問題在國內(nèi)尚未引起足夠的重視，也缺乏行之有效的研究方法。德國斯圖加特大學(xué)Stefan Roettger等研究人員利用CFD軟件對(duì)某轎車進(jìn)行了基于顆粒追蹤的塵土污染模擬[1]。某公司研究人員通過建立轎車復(fù)雜車底幾何模型進(jìn)行計(jì)算仿真，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法對(duì)車身底部流場(chǎng)模擬的有效性[2]。

本文重點(diǎn)研究低速行駛過程中路面揚(yáng)塵污染的原因，以及重型載貨汽車底部塵土附著情況。采用離散相模型（Discrete Phase Model，DMP）分析方法與離散動(dòng)力學(xué)原理，分析車輛底部流場(chǎng)，找到車輛塵土污染問題的解決辦法，并對(duì)優(yōu)化措施進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2 問題的提出

某款新型國產(chǎn)重型載貨汽車在行駛過程中，經(jīng)過泥土路面時(shí)易激起地面塵土，形成局部嚴(yán)重空氣污染。揚(yáng)塵污染主要分為揚(yáng)塵和降塵：揚(yáng)塵直徑一般小于15 μm，在擾動(dòng)氣流的作用下浮在空中；降塵直徑約為15～90 μm，易吸附在車輛表面[3]。重型載貨汽車行駛過程中，對(duì)路面泥塵有影響作用的主要是車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)與冷卻系統(tǒng)氣流擾動(dòng)，另外，部分揚(yáng)塵顆粒進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部，造成散熱器阻塞，降低冷卻系統(tǒng)散熱效率[4]，同時(shí)，塵土覆蓋在發(fā)動(dòng)機(jī)與艙內(nèi)部件表面造成散熱不均，導(dǎo)致艙內(nèi)局部溫度過高等問題。

3 理論基礎(chǔ)

3.1 揚(yáng)塵起塵量

揚(yáng)塵顆粒運(yùn)動(dòng)具有不確定性，車輛載重、車速對(duì)起塵量都有一定影響，對(duì)于車輛表面塵土，起塵量由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[5]：

式中，v為車速；m為車輛質(zhì)量；P為地面塵土量。

3.2 湍流控制方程

重型載貨汽車行駛時(shí)，馬赫數(shù)一般小于0.3，車輛周圍空氣可看作密度不變的不可壓縮氣體。車輛整體流場(chǎng)滿足N-S基本方程，為保證計(jì)算精度，選用Realizablek-e模型，即湍流動(dòng)能k方程和耗散率e方程，求解汽車外流場(chǎng)規(guī)律和分析塵土污染。

3.3 離散相顆粒運(yùn)動(dòng)模型

車輛周邊區(qū)域內(nèi)顆粒密度遠(yuǎn)大于流體密度，所有顆?？醋魇窍嗤芏鹊那蝮w[6]，且忽略沙塵顆粒之間的相互作用。采用拉格朗日法對(duì)DPM顆粒軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)[7]，笛卡爾坐標(biāo)下，顆粒在x方向受到的作用力平衡方程為：

式中，up為顆粒流動(dòng)速率；u為氣體流動(dòng)速率；u′為下一個(gè)位置的氣體流動(dòng)速度；ρ為氣流密度；ρp為顆粒密度；FD為流場(chǎng)中顆粒受到的牽引阻力；t為時(shí)間；gx為重力加速度；Fx為顆粒的其他受力。

其中，牽引阻力的計(jì)算公式為：

其他受力的計(jì)算公式為：

式中，μ為流體動(dòng)粘度，Re為雷諾系數(shù)，CD為阻力系數(shù)；dp為顆粒直徑；v1/2為流體運(yùn)動(dòng)粘度；up′為下一點(diǎn)顆粒速率；dij、dlk、dkl為流體速度變形張量；K為常數(shù)，取2.894。

4 CFD仿真分析

4.1 仿真模型與區(qū)域

本文針對(duì)車輛底部氣流對(duì)塵土污染的影響進(jìn)行研究，在保證計(jì)算精度和效率的情況下，對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪、進(jìn)氣格柵、冷卻系統(tǒng)、進(jìn)、排氣系統(tǒng)、車架等部件進(jìn)行相應(yīng)的簡化[4]。車輛外流場(chǎng)區(qū)域取進(jìn)口距車前端3倍車長，車尾距出口6倍車長，車旁左、右側(cè)各取3倍車寬，總高度為5倍車長[8]，如圖2所示。

圖2 模型三維計(jì)算區(qū)域

4.2 網(wǎng)格條件

將數(shù)模導(dǎo)入CFD軟件，利用四面體網(wǎng)格對(duì)數(shù)模進(jìn)行有限元分析。由于空間區(qū)域較大，網(wǎng)格采取梯度漸進(jìn)劃分方式，車輛外流場(chǎng)區(qū)域設(shè)置網(wǎng)格尺寸為700 mm[9]。為了分析更加準(zhǔn)確，對(duì)車身附近網(wǎng)格尺寸進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm，總體網(wǎng)格數(shù)量約為3 200萬個(gè)。

4.3 DPM設(shè)置

DPM設(shè)置主要包括顆粒入射區(qū)域、顆粒屬性、初始參數(shù)等。本文主要研究重型載貨汽車底部氣流場(chǎng)對(duì)塵土的作用情況，在車輛行駛過程中，塵土靜止在路面，冷卻風(fēng)扇排出的氣流會(huì)激起地面顆粒運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際環(huán)境情況，將地面投影區(qū)域設(shè)置為顆粒入射口，初始速度為0，入射質(zhì)量流量為0.08 kg/s，最小粒徑為0.014 mm，最大粒徑為0.056 mm，平均直徑0.035 mm。

4.4 邊界條件設(shè)置

車輛卷起的塵土大部分流向車輛底部，因此車輛底部與發(fā)動(dòng)機(jī)部分采用捕獲（trap）邊界條件。氣流卷起的揚(yáng)塵與車輪部分產(chǎn)生反彈，輪胎與車橋部分采用反射（reflect）邊界，出口采用逃逸（escape）邊界[10]。仿真模擬車輛行駛狀態(tài)，湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，并且使用standard壁面函數(shù)，通過simple算法耦合壓力和速度矢量。相關(guān)條件設(shè)置如表1所示。

5 仿真分析

5.1 顆粒軌跡線分析

車輛在低速行駛情況下，車輪與冷卻風(fēng)扇都有可能對(duì)路面塵土產(chǎn)生影響[11]。為了確定揚(yáng)塵產(chǎn)生的原因，設(shè)置2種仿真工況：工況1為車輛駐車，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1 800 r/min；工況2為車輛10 m/s勻速運(yùn)動(dòng)，冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為0，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω=52 rad/s。

表1 條件參數(shù)設(shè)置

圖3所示為2種工況的顆粒軌跡。由圖3a可知，兩輪之間的顆粒濃度最高，部分顆粒向車前擴(kuò)散，另一部分進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙。由圖3b可以看出，揚(yáng)塵顆粒僅在車輪附近濃度較高，并未造成整個(gè)區(qū)域的揚(yáng)塵污染。綜上所述，車輛在低速行駛時(shí)，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)雖與地面塵土接觸，但并未產(chǎn)生大量塵土顆粒擾動(dòng)。該車型造成的塵土污染主要受冷卻風(fēng)扇導(dǎo)出氣流影響，據(jù)此，應(yīng)對(duì)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖3 顆粒軌跡對(duì)比

5.2 速度流場(chǎng)

原車?yán)鋮s風(fēng)扇導(dǎo)出空氣流場(chǎng)矢量如圖4所示。圖4a可知，車輛前方空氣進(jìn)入散熱器后，在冷卻風(fēng)扇的作用下垂直導(dǎo)向地面，激起顆粒運(yùn)動(dòng)，在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生向前、向后的2個(gè)漩渦，將該區(qū)域的顆粒向上卷起，沉積在車前橋與發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部，從而造成表面揚(yáng)塵污染，與上節(jié)中顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡相印證。從圖4b中可以看出，氣流接觸地面后向車輪方向運(yùn)動(dòng)，使得塵土顆粒附著在輪胎內(nèi)側(cè)。

5.3 揚(yáng)塵覆蓋

揚(yáng)塵沉積情況如圖5所示。由圖5a可知，車橋、油箱底殼等零部件上有大量塵土附著。從圖5b可以看出，顆粒最大濃度為0.054 mg/m3，向上的揚(yáng)塵氣流已經(jīng)對(duì)車輛底部產(chǎn)生一定沖擊，揚(yáng)塵沉積范圍廣，并且在車輪內(nèi)側(cè)與車前橋處較為集中。利用Photoshop軟件計(jì)算得出，車輛正面投影區(qū)域有167 800個(gè)像素，污染區(qū)域有53 696個(gè)像素，揚(yáng)塵污染約占投影區(qū)的32%。

圖4 冷卻系統(tǒng)導(dǎo)出氣流

6 改進(jìn)方案和效果分析

從成本和可操作性方面考慮，基于發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部流場(chǎng)情況與揚(yáng)塵產(chǎn)生機(jī)理[16]，設(shè)置2種改進(jìn)方案（見圖6）：a.將護(hù)風(fēng)罩邊緣長度從130cm增加至150cm，減少冷卻氣流向下輻射量；b.在車架下方加裝導(dǎo)流板，增加進(jìn)風(fēng)速率。采用與原車相同的條件進(jìn)行仿真，并進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖5 揚(yáng)塵沉積對(duì)比

圖6 改進(jìn)方案

6.1 延長護(hù)風(fēng)罩

圖7為原車及改進(jìn)方案1的流場(chǎng)仿真結(jié)果。從仿真結(jié)果對(duì)比可知，原車氣流直接導(dǎo)向地面（見圖7a）；而延長護(hù)風(fēng)罩后，氣流從冷卻系統(tǒng)導(dǎo)出后不直接流向地面，而是呈平行流向汽車后方，減少氣流與地面接觸，降低了氣流擾動(dòng)對(duì)地面塵土的影響（見圖7b）。

圖7 延長護(hù)風(fēng)罩前后速度流線對(duì)比

圖8所示為塵土沉積量仿真結(jié)果。由圖8可知，延長護(hù)風(fēng)罩后，顆粒沉積已經(jīng)明顯較原車少，最大濃度不超過0.03 mg/m3。利用軟件計(jì)算得出污染區(qū)域減少到22 019個(gè)像素，降低約58.9%。由此可見，方案1對(duì)揚(yáng)塵污染的抑制效果較好。

圖8 延長護(hù)風(fēng)罩前、后塵土沉積對(duì)比

6.2 增加導(dǎo)流板

導(dǎo)流板設(shè)置在車架下方，不會(huì)與其他零部件產(chǎn)生干涉。通過圖9流場(chǎng)圖對(duì)比可知，導(dǎo)流板增加了前方進(jìn)氣速率，使得冷卻風(fēng)扇導(dǎo)出的氣流導(dǎo)向車后；減少氣流與地面接觸，抑制揚(yáng)塵污染產(chǎn)生[12]。

圖9 安裝導(dǎo)流板前后速度流線對(duì)比

從圖10塵土沉積量對(duì)比可知，增加導(dǎo)流板后，車輛塵土沉積量明顯下降，最大濃度不超過0.02 mg/m3。通過軟件計(jì)算得知，污染區(qū)域減少至26 822個(gè)像素，減少幅度約為50%。

圖10 安裝導(dǎo)流板前后塵土沉積對(duì)比

7 結(jié)束語

本文通過對(duì)冷卻風(fēng)扇導(dǎo)出氣流進(jìn)行仿真分析，得出氣流沖擊地面激起塵土顆粒上揚(yáng)是車輛產(chǎn)生揚(yáng)塵污染的主要原因。塵土顆粒沉積主要分布在車橋、車輪內(nèi)側(cè)以及發(fā)動(dòng)機(jī)表面。

針對(duì)車輛揚(yáng)塵產(chǎn)生機(jī)理，提出了兩種改進(jìn)措施，即延長護(hù)風(fēng)罩長度和增加導(dǎo)流板。兩種方法抑制揚(yáng)塵效果明顯，并且實(shí)際操作簡單，可為重型載貨汽車的設(shè)計(jì)提供參考。

1 王振.汽車車身塵土污染數(shù)值仿真與控制研究：[學(xué)位論文].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2013.

2 董立偉.基于內(nèi)流的汽車氣動(dòng)性能研究與分析：[學(xué)位論文].株洲：湖南工業(yè)大學(xué)，2013.

3 朱景韓，濟(jì)俞清，賀建國，等.汽車道路煤揚(yáng)塵瑰麗研究.汽車工程，2007，29（10）：873～875.

4 Ramnefors M,Perzon S,Davidson L.Accuracy in Drag Predictions on Automobiles.Symposium on Vehicle Aerodynamics:[dissertation].Leicestershire:Loughborough University of Technology,1994.

5 谷正氣，王振，張勇，等.某轎車車身塵土污染數(shù)值仿真與控制.長安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，35（5）：146～152.

6 胡文成，王良模，鄒小俊，等.卡車發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場(chǎng)分析與散熱性能研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（8）：100～103.

7 張承中，劉立忠，李濤.單輛機(jī)動(dòng)車二次揚(yáng)塵量化計(jì)算的實(shí)驗(yàn)研究.環(huán)境工程，2002，20（5）：38～40.

8 仇滔，宋鑫，雷艷，等.柴油機(jī)噴孔內(nèi)空化過程與流動(dòng)特性研究.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，43（6）：30～34.

9 U.S Environmental Protection Agency.Draft user’s guide to part5:a program for calculating particle emissions from motor vehicles,1995.

10 GokhaleS, RaokhandeN.Performance evaluation of air quality models for predicting PM10 and PM2.5 concentrations at urban traffic intersection during winter period.Science of the Total Environment,2008,394(1):9～24.

11 HolmesNS, MorawskaL.A review of dispersion modelling and its application to the dispersion of particles:An overview of different dispersion models available.Atmospheric Environment, 2006, 40(30):5902～5928.

12 羅昔聯(lián)，顧兆林.基于DPM模型的街谷內(nèi)顆粒物擴(kuò)散特征研究.中國科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2007，24（5）：259～283.

Simulation and Inhibition on Truck Bottom of Dust Pollution

Tang Rongjiang1,2,Zhang Cheng1,Lu Zengjun2,XiaoFei2,Shi Chaokun2
（1.Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004;2.R&D Center of Commercial Vehicle,Dong Feng Liuzhou Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou 545005）

Aiming at the dust pollution of the truck，the truck and whole flow area 3D model is built by CATIA software.All 3D models are led to CFD software for simulation.Analysis results show that air was passing cooling fan and blowing at the bottom of the truck，which caused local dust pollution.According to the simulation results two concepts for improvement were proposed and simulated，simulation results indicated that modification of increasing the guide plate and lengthening wind shield of cooling fans did inhibit the dust,dust deposition areas are reduced for 58.9%and 50%.The air flow field at the bottom of truck is obviously improved.

Dust pollution;Simulation;Truck

揚(yáng)塵 仿真模擬 載貨汽車

U461.1；U467

A

1000-3703（2017）11-0059-04

教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-11-0157）；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2016A030313463）。

（責(zé)任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2017年6月15日。