道路扬尘扬散特性研究*

□ 陈卓文 □黄海波 □董家楠 □张 涛

宁波大学 机械工程与力学学院 浙江宁波 315211

1 研究背景

车辆行驶过程中，会产生剪切气流和诱导气流，使沉积在道路上的各类颗粒物向空中扬散,这是路面扬尘形成的主要原因。随着车辆燃油排放标准的逐渐严格,非燃烧排放颗粒物对城市空气质量影响的比重越来越大[1]。道路扬尘作为非排放颗粒物的重要组成部分,对大气中细颗粒物浓度会产生非常大的影响[2],已成为城市大气颗粒物的主要来源之一。

由于时空变异性等原因[3],道路扬尘的研究多集中于对其物理特性的分析,如分析道路扬尘的元素成分、分布特征等[4]。然而，车辆行驶引起周围空气流动才是道路扬尘扬散的直接原因,因此，有关道路扬尘扬散特性的研究必须考虑车辆的空气动力学特性。鉴于空气动力学特性对燃油经济性的重要影响,诸多学者更多侧重于探讨车辆外形与车辆风阻因数的关系[5],而关于道路扬尘扬散特性的研究则较少。近年来,人们对环境问题日益重视,有学者开始关注道路扬尘问题。Gerardin等[6]使用计算流体动力学软件研究了单个轮胎的流场及其周围气流的轨迹和速度,揭示了轮胎旋转对周围流场及附近颗粒运动轨迹的影响。

笔者建立车辆-地面-扬尘流体力学模型,用旋转壁面定义轮胎滚动,设定道路扬尘粒径尺寸符合Rosin-Rammler分布[7],将粒径范围为1～10 μm的道路扬尘作为主要研究对象,模拟其在流场中的运动情况。通过探讨道路扬尘粒径和车辆行驶速度等因素对道路扬尘扬散特性的影响,分析道路扬尘扬散的一般规律,为道路扬尘的防控和环境保护提供理论指导。

2 数学模型

道路扬尘在车辆外流场中的运动属于多相流问题,笔者应用纳维-斯托克斯方程描述流场中的空气流动,采用离散相拉格朗日模型对道路扬尘扬散运动进行轨迹追踪。为便于建模和解算,对颗粒相进行如下假设:

(1) 所有颗粒相均为球形颗粒;

(2) 颗粒相在空气中所占体积浓度较低,可视为离散相,不考虑颗粒之间的相互作用。

汽车外部的空气流动符合质量、动量及能量守恒定律，连续方程和能量守恒方程[8]分别为:

(1)

(2)

式中:αf为流体体积分数;ρf为气体密度;μf为气体动力黏度;τf为黏性应力张量;p为颗粒处压力梯度;g为重力加速度;fdrag为流体平均颗粒流体阻力;t为流体流动时间。

(3)

(4)

式中：ΔV为计算控制体的体积；vpi为颗粒i在控制体中所占的体积；Fdrag为单个颗粒所受的流体黏性阻力；Ii为颗粒i的转动惯量；n为控制体中颗粒的数量。

流体相湍流模型采用标准k-ε模型描述。

3 流场域模型

以某系列轿车为原型,建立三维模型，并进行适当简化和平整化处理。汽车车身及轮胎接地模型如图1所示，轮胎型号为205/55R16。

▲图1 汽车车身及轮胎接地模型

为模拟车辆实际行驶,在汽车周围建立计算域流场,模拟汽车行驶过程中与空气的相互作用。计算域尺寸为十倍车长、五倍车宽和五倍车高[9],其中一面定义为对称面,除进口和出口外,其余均定义为墙面[10]。对计算区域进行网格划分,并对轮胎、车身近壁面流动区域、车尾等计算敏感区域进行网格精细化处理,单元尺寸随地面和车身之间距离的增大而增大。由于汽车外流场属于黏性、非定常、不可压缩流,且具有典型的三维分离流动特性,因此按湍流进行处理[11]。

进行数值模拟时,设置风速为16.6 m/s,湍流强度为2.2%,两侧壁面固定,地面为移动壁面,模拟车辆行驶时地面的相对运动。轮胎表面设置为旋转壁面,模拟轮胎的实际运动,旋转速度为54 rad/s。除计算域入口和出口的边界条件设置为逃逸外,其余壁面均设置为反弹。环境压力和20 ℃环境温度下，空气密度为1.225 kg/m3,黏度为1.789 4×10-5Pa·s[12]。

地面处于流场底面，设置为道路扬尘出口。道路扬尘初始速度为零,密度为2 719 kg/m3,粒径为1～10 μm。为体现道路扬尘粒径的不规则分布,设定其尺寸符合Rosin-Rammler分布[13]。

4 模型试验验证

由于直接验证模型中道路扬尘运动的轨迹存在较大难度,因此考虑测量轮胎中心平面上车轮与覆盖件间隙的压强和速度值,将试验结果与数值模拟计算结果进行对比分析,从侧面验证计算模型的准确性。测量点位置如图2所示,设轮毂转角为θ,取水平向右方向为0°。从轮毂转角为0°时开始,沿逆时针方向在汽车前轮与覆盖件间隙处每隔30°设置一个测量点,至轮毂转角为180°时结束,共设置七个测量点，测量压强和速度值。

▲图2 测量点位置

试验设备主要包括轮胎路面模拟器试验装置、鼓风机、205/55R16型轮胎、数字微压计等。试验所采用的轮胎路面模拟器试验装置如图3所示。

试验时，将外套管和皮托管与数字微压计相连,打开数字微压计电源开关,待数字微压计预热5～15 min后,对数字微压计进行清零。将数字微压计前端对准来流,此时数字微压计显示屏上会显示所测气流速度值。待数字微压计的计数稳定后,可以直接读取测量值。经多次测量后，取平均值得到结果。

▲图3 轮胎路面模拟器试验装置

通过试验获得车轮与覆盖件间隙不同位置处气流的速度和压强,分布曲线分别如图4、图5所示。由图4、图5可知,车轮与覆盖件之间气流的速度和压强具有明显的波动,数值计算结果和试验测量结果有相似的变化趋势,在轮毂转角为90°和120°时气流速度较慢,在轮毂转角为60°和150°时气流压强较大,数值模拟结果与试验测量结果变化趋势较为吻合。由于模型结构的差异、鼓风机风速的不稳定性,以及试验室的环境和场地对气流运动造成一定干扰,数值模拟和实际试验结果存在一定的误差,但在可接受范围之内。

▲图4 车轮与覆盖件间隙不同位置处气流速度分布曲线

5 道路扬尘沿程扩散分析

车辆行驶速度为60 km/h时,分别进行高度1.5m横向和车辆对称中心面处纵向道路扬尘浓度分析。道路扬尘横向扩散浓度云图如图6所示,道路扬尘随着车辆行驶及轮胎高速旋转引起的空气流动扬散,并向后部扩散发展,浓度主要分布在车身以下及周围近地面区域,在后部流场发展形成楔形区域。W为道路扬尘扩散宽度的测量边界。道路扬尘纵向扩散浓度云图如图7所示,道路扬尘在车身后部流场20 m左右位置扩散高度达2 m左右,之后呈现逐渐减小的趋势。H为道路扬尘扩散高度的测量边界。

▲图5 车轮与覆盖件间隙不同位置处气流压强分布曲线

▲图6 道路扬尘横向扩散浓度云图▲图7 道路扬尘纵向扩散浓度云图

观察距离后轮1 m处的空气流动状态,如图8所示。由图8可以发现，气流从车身外侧向车体中间流动,气流涡旋相对于车轮轮廓向内侧略微偏移,在轮胎内侧近地面处形成一个低速的湍流区,促使汽车尾部近地面处的气流向内侧流动。可见,车辆在行驶过程中,车轮后部和地面之间的道路扬尘扬起后，受到湍流的横向作用,向车身后部流场的内侧方向迁移，导致车轮后部尾迹偏内侧具有较高的颗粒浓度。轮胎后部速度场如图9所示。随着车速加快,车身尾部近地面处涡流对道路扬尘扩散发展造成的影响越来越明显[14],导致道路扬尘横向扩散运动呈现收敛趋势。

▲图8 距离后轮1 m处空气流动状态▲图9 轮胎后部速度场

6 道路扬尘扩散影响分析

6.1 粒径

为进一步研究道路扬尘的扩散情况,获得车辆行驶过程中道路扬尘扩散的影响因素,采取控制变量法分别对不同粒径及不同车速下道路扬尘的扩散情况进行模拟。考虑到实际道路环境中道路扬尘的粒径尺度[15],设置0.1～1 μm、1～10 μm、10～50 μm、50～100 μm、100～150 μm、150～300 μm、300～500 μm七个粒径范围，分别进行数值模拟,车辆行驶速度为60 km/h。

道路扬尘扩散宽度和高度随粒径变化曲线分别如图10、图11所示。

由图10可知,道路扬尘的扩散宽度为车身外侧3 m左右,并且随着粒径的增大而减小。由图11可知，道路扬尘的扩散高度随粒径增大呈现先增大后减小的趋势,粒径为50 μm左右时道路扬尘扩散高度达到最大值,为1.83 m左右。对于粒径小于10 μm的可吸入道路扬尘而言,车速为60 km/h时,扩散大致在宽度3.0 m、高度1.70 m左右的空间内。粒径大于100 μm的道路扬尘，扩散高度最高为0.5 m左右,这与可悬浮颗粒物的粒径尺度分界线为100 μm是相对应的。

呼吸带指位于人体口鼻附近的空气带,高度通常为0.5～1.5 m,这部分空气中的颗粒物会直接影响人体呼吸系统[16]。为研究呼吸带上道路扬尘的扩散特性,获得人与车并行环境下的最优化距离,笔者测量呼吸带高度平面为0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m时的道路扬尘浓度分布情况。道路扬尘扩散宽度随高度变化情况如图12所示,可以发现道路扬尘扩散宽度随高度的增大而逐渐减小,呼吸带对应道路扬尘扩散宽度主要集中于车身外侧2～3.2 m范围，即人体需要在车身外侧3 m以外，才有可能免受道路扬尘的影响。

▲图10 道路扬尘扩散宽度随粒径变化曲线▲图11 道路扬尘扩散高度随粒径变化曲线

▲图12 道路扬尘扩散宽度随高度变化情况

6.2 汽车行驶速度

以粒径为1～10 μm的道路扬尘为研究对象,分别模拟车辆行驶速度为40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h时的道路扬尘浓度分布情况。

道路扬尘扩散宽度和扩散高度随车速变化曲线分别如图13、图14所示。由图13可知,道路扬尘扩散宽度随着车速加快，呈现出先增大后减小的趋势,当车速为60 km/h时，达到扩散宽度的临界点。由图14可知,道路扬尘扩散高度随车速的变化较为平稳,总体在2.0～2.5 m,受车速影响不明显。

▲图13 道路扬尘扩散宽度随车速变化曲线▲图14 道路扬尘扩散高度随车速变化曲线

车辆行驶速度加快到一定程度之后,车身底部回旋涡流对道路扬尘横向扩散造成的影响较为明显,导致横向扩散宽度呈现收敛趋势,因此扩散宽度也呈现出递减的趋势。

选取主要呼吸带高度1.5 m的水平面，道路扬尘扩散宽度随车速变化曲线如图15所示。车速达到60 km/h时，1.5 m高度水平面上的道路扬尘扩散宽度约为2.0 m,与图12所示一致。随着汽车行驶速度的加快,呼吸带水平面上道路扬尘扩散宽度虽有小幅波动,但是总体范围较小,基本保持在车身两侧约2 m的范围之内。可见，呼吸带高度为1.5 m左右的人群，保持与行驶车辆2 m以上的距离,基本可以保证正常呼吸，且不受道路扬尘扩散作用所带来的不良影响。

▲图15 1.5 m高度道路扬尘扩散宽度随车速变化曲线

7 结束语

笔者通过离散项数值模拟方法，研究了道路扬尘的动态扩散过程及非均匀分布特征，分析了道路扬尘粒径和车辆行驶速度对道路扬尘扩散的影响。

道路扬尘受车身周围高速气流的影响,在水平方向上主要集中于车辆行驶的直线轨迹上,并以递减的趋势向后方及两侧扩散,受影响区域为车身两侧3 m左右范围。竖直面内道路扬尘随气流向车辆后部流场扩散,自近地面处向上道路扬尘浓度逐渐减小,平均扩散高度约为2.5 m。

通过研究呼吸带高度平面道路扬尘浓度分布情况,发现道路扬尘在呼吸带高度平面上的扩散宽度约为车身两侧2 m左右,即保证行人呼吸健康的安全位置应为车身两侧2 m以外。笔者建立的流场域模型为道路扬尘运动规律的研究和污染的防控提供了一定的理论参考。