重型载货汽车底部尘土污染仿真与抑制＊

唐荣江 张成 陆增俊 肖飞 施朝坤

（1.桂林电子科技大学，桂林 541004；2.东风柳州汽车有限公司商用车技术中心，柳州 545005）

重型载货汽车底部尘土污染仿真与抑制＊

唐荣江1,2张成1陆增俊2肖飞2施朝坤2

（1.桂林电子科技大学，桂林 541004；2.东风柳州汽车有限公司商用车技术中心，柳州 545005）

针对某重型载货汽车在低速行驶过程中的尘土污染问题，建立车辆与整个流场区域模型，并将模型导入CFD软件进行仿真。由仿真结果可知，空气经过冷却风扇后，部分气流吹向车辆底部地面造成局部扬尘污染。据此提出2种改进方案，并进行仿真研究。结果表明，延长护风罩和增加导流板对扬尘有很大的抑制作用，分别使污染区域减少58.9%和50%，车辆底部空气流场明显改善。

1 前言

我国道路情况复杂，路面上普遍含泥土、积尘，而机动车路面污染来源主要是行驶过程引起的道路二次扬尘。对于尘土污染问题在国内尚未引起足够的重视，也缺乏行之有效的研究方法。德国斯图加特大学Stefan Roettger等研究人员利用CFD软件对某轿车进行了基于颗粒追踪的尘土污染模拟[1]。某公司研究人员通过建立轿车复杂车底几何模型进行计算仿真，验证了数值计算方法对车身底部流场模拟的有效性[2]。

本文重点研究低速行驶过程中路面扬尘污染的原因，以及重型载货汽车底部尘土附着情况。采用离散相模型（Discrete Phase Model，DMP）分析方法与离散动力学原理，分析车辆底部流场，找到车辆尘土污染问题的解决办法，并对优化措施进行仿真验证。

2 问题的提出

某款新型国产重型载货汽车在行驶过程中，经过泥土路面时易激起地面尘土，形成局部严重空气污染。扬尘污染主要分为扬尘和降尘：扬尘直径一般小于15 μm，在扰动气流的作用下浮在空中；降尘直径约为15～90 μm，易吸附在车辆表面[3]。重型载货汽车行驶过程中，对路面泥尘有影响作用的主要是车轮的转动与冷却系统气流扰动，另外，部分扬尘颗粒进入发动机舱内部，造成散热器阻塞，降低冷却系统散热效率[4]，同时，尘土覆盖在发动机与舱内部件表面造成散热不均，导致舱内局部温度过高等问题。

3 理论基础

3.1 扬尘起尘量

扬尘颗粒运动具有不确定性，车辆载重、车速对起尘量都有一定影响，对于车辆表面尘土，起尘量由经验公式计算[5]：

式中，v为车速；m为车辆质量；P为地面尘土量。

3.2 湍流控制方程

重型载货汽车行驶时，马赫数一般小于0.3，车辆周围空气可看作密度不变的不可压缩气体。车辆整体流场满足N-S基本方程，为保证计算精度，选用Realizablek-e模型，即湍流动能k方程和耗散率e方程，求解汽车外流场规律和分析尘土污染。

3.3 离散相颗粒运动模型

车辆周边区域内颗粒密度远大于流体密度，所有颗粒看作是相同密度的球体[6]，且忽略沙尘颗粒之间的相互作用。采用拉格朗日法对DPM颗粒轨迹进行预测[7]，笛卡尔坐标下，颗粒在x方向受到的作用力平衡方程为：

式中，up为颗粒流动速率；u为气体流动速率；u′为下一个位置的气体流动速度；ρ为气流密度；ρp为颗粒密度；FD为流场中颗粒受到的牵引阻力；t为时间；gx为重力加速度；Fx为颗粒的其他受力。

其中，牵引阻力的计算公式为：

其他受力的计算公式为：

式中，μ为流体动粘度，Re为雷诺系数，CD为阻力系数；dp为颗粒直径；v1/2为流体运动粘度；up′为下一点颗粒速率；dij、dlk、dkl为流体速度变形张量；K为常数，取2.894。

4 CFD仿真分析

4.1 仿真模型与区域

本文针对车辆底部气流对尘土污染的影响进行研究，在保证计算精度和效率的情况下，对车辆发动机、车轮、进气格栅、冷却系统、进、排气系统、车架等部件进行相应的简化[4]。车辆外流场区域取进口距车前端3倍车长，车尾距出口6倍车长，车旁左、右侧各取3倍车宽，总高度为5倍车长[8]，如图2所示。

图2 模型三维计算区域

4.2 网格条件

将数模导入CFD软件，利用四面体网格对数模进行有限元分析。由于空间区域较大，网格采取梯度渐进划分方式，车辆外流场区域设置网格尺寸为700 mm[9]。为了分析更加准确，对车身附近网格尺寸进行加密，最小网格尺寸设置为20 mm，总体网格数量约为3 200万个。

4.3 DPM设置

DPM设置主要包括颗粒入射区域、颗粒属性、初始参数等。本文主要研究重型载货汽车底部气流场对尘土的作用情况，在车辆行驶过程中，尘土静止在路面，冷却风扇排出的气流会激起地面颗粒运动。根据实际环境情况，将地面投影区域设置为颗粒入射口，初始速度为0，入射质量流量为0.08 kg/s，最小粒径为0.014 mm，最大粒径为0.056 mm，平均直径0.035 mm。

4.4 边界条件设置

车辆卷起的尘土大部分流向车辆底部，因此车辆底部与发动机部分采用捕获（trap）边界条件。气流卷起的扬尘与车轮部分产生反弹，轮胎与车桥部分采用反射（reflect）边界，出口采用逃逸（escape）边界[10]。仿真模拟车辆行驶状态，湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，并且使用standard壁面函数，通过simple算法耦合压力和速度矢量。相关条件设置如表1所示。

5 仿真分析

5.1 颗粒轨迹线分析

车辆在低速行驶情况下，车轮与冷却风扇都有可能对路面尘土产生影响[11]。为了确定扬尘产生的原因，设置2种仿真工况：工况1为车辆驻车，冷却风扇转速1 800 r/min；工况2为车辆10 m/s匀速运动，冷却风扇转速为0，车轮转动角速度ω=52 rad/s。

表1 条件参数设置

图3所示为2种工况的颗粒轨迹。由图3a可知，两轮之间的颗粒浓度最高，部分颗粒向车前扩散，另一部分进入发动机舱。由图3b可以看出，扬尘颗粒仅在车轮附近浓度较高，并未造成整个区域的扬尘污染。综上所述，车辆在低速行驶时，车轮转动虽与地面尘土接触，但并未产生大量尘土颗粒扰动。该车型造成的尘土污染主要受冷却风扇导出气流影响，据此，应对冷却系统流场进行进一步分析。

图3 颗粒轨迹对比

5.2 速度流场

原车冷却风扇导出空气流场矢量如图4所示。图4a可知，车辆前方空气进入散热器后，在冷却风扇的作用下垂直导向地面，激起颗粒运动，在一定范围内产生向前、向后的2个漩涡，将该区域的颗粒向上卷起，沉积在车前桥与发动机舱底部，从而造成表面扬尘污染，与上节中颗粒运动轨迹相印证。从图4b中可以看出，气流接触地面后向车轮方向运动，使得尘土颗粒附着在轮胎内侧。

5.3 扬尘覆盖

扬尘沉积情况如图5所示。由图5a可知，车桥、油箱底壳等零部件上有大量尘土附着。从图5b可以看出，颗粒最大浓度为0.054 mg/m3，向上的扬尘气流已经对车辆底部产生一定冲击，扬尘沉积范围广，并且在车轮内侧与车前桥处较为集中。利用Photoshop软件计算得出，车辆正面投影区域有167 800个像素，污染区域有53 696个像素，扬尘污染约占投影区的32%。

图4 冷却系统导出气流

6 改进方案和效果分析

从成本和可操作性方面考虑，基于发动机舱底部流场情况与扬尘产生机理[16]，设置2种改进方案（见图6）：a.将护风罩边缘长度从130cm增加至150cm，减少冷却气流向下辐射量；b.在车架下方加装导流板，增加进风速率。采用与原车相同的条件进行仿真，并进行进一步分析。

图5 扬尘沉积对比

图6 改进方案

6.1 延长护风罩

图7为原车及改进方案1的流场仿真结果。从仿真结果对比可知，原车气流直接导向地面（见图7a）；而延长护风罩后，气流从冷却系统导出后不直接流向地面，而是呈平行流向汽车后方，减少气流与地面接触，降低了气流扰动对地面尘土的影响（见图7b）。

图7 延长护风罩前后速度流线对比

图8所示为尘土沉积量仿真结果。由图8可知，延长护风罩后，颗粒沉积已经明显较原车少，最大浓度不超过0.03 mg/m3。利用软件计算得出污染区域减少到22 019个像素，降低约58.9%。由此可见，方案1对扬尘污染的抑制效果较好。

图8 延长护风罩前、后尘土沉积对比

6.2 增加导流板

导流板设置在车架下方，不会与其他零部件产生干涉。通过图9流场图对比可知，导流板增加了前方进气速率，使得冷却风扇导出的气流导向车后；减少气流与地面接触，抑制扬尘污染产生[12]。

图9 安装导流板前后速度流线对比

从图10尘土沉积量对比可知，增加导流板后，车辆尘土沉积量明显下降，最大浓度不超过0.02 mg/m3。通过软件计算得知，污染区域减少至26 822个像素，减少幅度约为50%。

图10 安装导流板前后尘土沉积对比

7 结束语

本文通过对冷却风扇导出气流进行仿真分析，得出气流冲击地面激起尘土颗粒上扬是车辆产生扬尘污染的主要原因。尘土颗粒沉积主要分布在车桥、车轮内侧以及发动机表面。

针对车辆扬尘产生机理，提出了两种改进措施，即延长护风罩长度和增加导流板。两种方法抑制扬尘效果明显，并且实际操作简单，可为重型载货汽车的设计提供参考。

1 王振.汽车车身尘土污染数值仿真与控制研究：[学位论文].株洲：湖南工业大学，2013.

2 董立伟.基于内流的汽车气动性能研究与分析：[学位论文].株洲：湖南工业大学，2013.

3 朱景韩，济俞清，贺建国，等.汽车道路煤扬尘瑰丽研究.汽车工程，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 谷正气，王振，张勇，等.某轿车车身尘土污染数值仿真与控制.长安大学学报（自然科学版），2015，35（5）：146～152.

6 胡文成，王良模，邹小俊，等.卡车发动机舱流场分析与散热性能研究.机械设计与制造，2013（8）：100～103.

7 张承中，刘立忠，李涛.单辆机动车二次扬尘量化计算的实验研究.环境工程，2002，20（5）：38～40.

8 仇滔，宋鑫，雷艳，等.柴油机喷孔内空化过程与流动特性研究.农业机械学报，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 罗昔联，顾兆林.基于DPM模型的街谷内颗粒物扩散特征研究.中国科学院研究生院学报，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

扬尘 仿真模拟 载货汽车

U461.1；U467

A

1000-3703（2017）11-0059-04

教育部新世纪人才计划项目（NCET-11-0157）；广东省自然科学基金项目（2016A030313463）。

（责任编辑斛 畔）

修改稿收到日期为2017年6月15日。