某重型卡车车身侧面泥水飞溅污染的研究与控制

摘 要：针对某重型卡车车身侧面泥水飞溅污染的问题，建立其空气动力学仿真模型，采用外流场耦合液相的方法开展了仿真分析。根据原车的污染情况及流场特点提出了优化包角板扰流结构、增加轮眉及优化前保结构三个优化方案。仿真结果表明：三个优化方案均能有效的改善驾驶室侧面污染。并对优化方案进行了试验验证，增加轮眉方案可有效的改善驾驶室侧面及关键的门把手区域的污染。本研究为该车型防污性能的提升及新车型的开发提供了重要参考。

关键词：卡车车身；汽车外流场；泥水飞溅污染；仿真分析

中图分类号：U472 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2024）04-0063-05

Study and Control of Mud-Water Splashing Pollution on The Side of Truck Cab

LI Guang-sheng， LI Cheng， LI Jun， XU Cheng

（ Dongfeng Liu Zhou Motor Co.， Ltd， Liuzhou 545005， China）

Abstract： Aiming at the problem of mud splashing pollution on the side of the cab of a heavy truck， an aerodynamic simulation model was established and the simulation analysis was carried out using the method of coupling the outflow field with the liquid phase. According to the pollution condition of the original car and the characteristics of the flow field， three optimization schemes were put forward： optimizing the turbulence structure of the corner plate， adding the wheel eyebrow and optimizing the front protection structure.The simulation results show that the three optimization schemes can effectively improve the cab side pollution.The optimization scheme is verified by experiments， adding wheel eyebrow scheme can effectively improve the pollution of cab side and key door handle area.This study provides an important reference for the improvement of anti-pollution performance of this vehicle and the development of new vehicles.

Key Words： Truck Cab; Auto Mobile Outflow Field; Mud-Water Splashing Pollution; Simulation Analysis

前 言

重型卡车具有体型大、使用工况差、部件间相对位移大等特点，车轮高速碾压路面泥水形成水雾，车轮的高速旋转将水雾甩起撞击挡泥板、轮罩后破碎成尺寸更小的水雾，水雾粘附到车身表面，污染车身侧面及门把手，影响上下车便利性及外观清洁度[1]。经过调查及对比，重型卡车车身侧围及门把手泥水污染在行业内是一个普遍现象，如果泥水甩起后飞溅到侧窗、后视镜等位置，甚至会影响到行车安全，如图1：

由于重卡泥水污染的产生机理较为复杂，涉及到液滴的飞溅、破碎及附着等多种因素。如何解决车身侧围及门把手区域污染一直是行业内的一个难题。辛俐等人[2-3]采用DPM离散相和欧拉液膜模型相结合的方法，对方背式MIRA模型的车轮溅水污染问题进行了研究，得到了车轮溅水导致的车身表面污染分布云图，分析了车身的污染机理，并对车身外形进行改进，一定程度改善了车身污染问题。A.Kabanovs等人[4]利用Spalart-Allmaras模型和欧拉-拉格朗日方法（DPM）相结合的方案，模拟了车轮溅水对车身表面的污染过程，发现完全非定常仿真方法与风洞实验的结果较为吻合。

本文针对某重型卡车身侧面的泥水污染问题，采用流体分析软件进行外流场稳态仿真，再将流场仿真结果及模型导入水管理分析软件进行液相瞬态耦合分析，通过仿真复现了污染表现，并进而对该车型的车身污染问题进行了优化。经社会道路实车试验验证，优化方案有效的改善了该车型的车身污染。研究成果不仅为该车车身表面污染问题的整改提供了行之有效的解决方案，同时也为新车型如何提高车身防污性能提供参考。

1 模型建立及边界条件

1.1 外流场模型建立

首先建立整车外流场模型，包含车身、车轮、后视镜及其他覆盖件的1：1几何模型。由于轮胎花纹对车轮泥水飞溅的结果有较大的影响，故在模型简化处理的过程中，轮胎需保留其花纹。建立外流场计算域，入口距车前端３倍车长，出口距车后端5倍车长，宽为７倍车宽，高为５倍车高，如图2所示。这部分工作可以与风阻优化等工作一并完成。

1.2 湍流模型及边界设置

（1）车身外流场的准确求解很大程度上决定了污染仿真结果的精度。SST k-ω模型综合了k-ω模型和k-ε模型的优点，通过混合函数实现近壁区等价于k-ω模型，而在远离壁面区域转换为k-ε模型。该模型对于边界层的分离现象预测比较准确，在汽车外流场的仿真中有着突出的表现，并且经过多年工程应用，也有了较大改进和发展[5-6]。因此，本文选用SST k-ω来求解流场中的湍流流动。

（2） 外流场入口边界设为速度入口，其值为90km/h；出口边界设为压力出口，压力值为0Pa；地面为移动边界，移动速度与车速一致；轮胎壁面设成局部旋转壁面，根据车速及轮胎滚动半径计算出轮胎旋转角速度为48.5r/s；其他壁面均设为滑移边界。

（3）基于外流场稳态计算的结果，在水管理软件中耦合外流场计算结果，设置设水池长度为70米，路面积水层厚度设置为30mm，液滴颗粒直径为5mm，采用隐式算法求解液相在驾驶室侧面的附着情况。

1.3 评价标准

目前，国内外商用车车身泥水飞溅污染还没有相对成熟的评价标准[7]。无论是开发前期的性能分解，还是实车阶段的测试评价，都难以进行量化的判断。本文首先将驾驶室侧面进行区域的划分，分为关键区域和非关键区域。其中后视镜、车窗和门把手等3个区域对驾驶员行车安全及上、下车便利性影响较大，故定义为关键区域；除此之外的车门、侧围、侧导流罩、车门护板、翼子板、上车踏板等仅影响车辆美观度的区域，定义为非关键区域。同时为了便于后续的对比，对部分面积较大的区域做了进一步的细分，最终共分为9个区域，如图3所示。通过监控和对比各个区域内受污染的面积占该区域总面积的百分比，来衡量对应区域的受污染程度，进而给出不同设计方案的优劣性判断。

2 原车仿真分析及验证

2.1 原车仿真结果分析

从原车的外流场分析结果可以清晰的发现该车型存在较明显的车身污染风险。如图4展示的压力等值面示意图显示，车身的两侧的负压区域较大，可以判断气流流过前脸边缘时流动分离较为明显，无法较好的利用车身两侧的高速气流压制车轮甩起的泥水污染物。如图5展示的车身侧面污染物轨迹示意图显示，该车型驾驶室侧面泥水污染较严重，除污染了门把手关键区域外，车门护板、翼子板、脚踏板、侧围、侧导流罩均被泥水严重污染。

2.2 实车测试验证

为了验证仿真分析的精度，选择一辆与仿真模型配置、布置完全一致的车辆，雨后在较为平直且脏污的城市外环道路上开展测试验证。车辆以80km/h的车速匀速行驶约2个小时，测试完成待水渍干透后拍照记录。原车污染轨迹测试结果如图6所示：

当前的测量方法虽然难以对泥水污染结果进行量化，但可以直观的展示出驾驶室侧面的污染区域，并通过颜色的深浅对污染程度做出主观判断。通过对比图5和图6，仿真与试验结果在驾驶室侧面污染物分布情况一致性较高，各区域的污染程度也基本相当，认为仿真精度满足工程化应用要求。

3 优化方案仿真分析及验证

3.1 优化方案

从实车测试结果可以看出，关键区域后视镜和车窗位置未被污染，有效的保证了驾驶员的行车安全。但是关键区域门把手位置已被泥水污染覆盖。而且车门护板、翼子板及侧围等非关键区域也有较明显污染。将会严重影响驾驶员上、下车便利性及车辆的美观度，该车的防污性能仍有较大的改善空间。

本文基于污染产生的机理，从气流疏导及污染物遮挡两个维度分别制定了优化包角板、增加轮眉、优化前保造型等三个优化措施。

（1）优化包角板

优化包角板方案主要是增加包角板扰流板的长度及进风口宽度、增加扰流板的片数、减小扰流板的厚度，旨在优化包角板出风的流向及增大出风速度。方案如表1及图7所示：

（2）增加轮眉

增加轮眉则是在翼子板边缘增加外突宽度为30mm的轮眉，通过增加左右方向的尺寸来遮挡车轮甩起的泥水污染物。方案如图8所示。

（3）优化前保造型

优化前保造型方案则是去掉前保两侧车灯附近的凹坑造型，采用平滑过渡曲面进行覆盖，改变流过前保边缘的气流导向，减少驾驶室侧面的流动分离。方案如图8所示：

3.2 优化方案泥水飞溅污染仿真结果分析

如图9原车与各优化方案污染轨迹对比、表2各方案各区域污染面积百分百统计所示，3个优化方案对车身侧面的污染均有一定程度的改善。具体情况如下：

（1）总体效果优化前保造型方案效果最优，增加轮眉方案次之。

（2）门把手区域的污染在增加轮眉及优化前保造型两个方案上均有了较大的改善，门把手的污染百分比从原车的7.2%下降至1.1%和2.5%。

（3）优化前保造型方案在车门及护板、侧围及侧导流罩区域污染区域面积及污染程度上均有了较大的改善。

3.3 测试验证

由于从驾驶员最关心的门把手区域的污染改善效果出发，增加轮眉方案更优。且另外2个方案设计更改涉及到包角板、前保、灯具的模具更改，需较高的时间及经济投入，因此本文最终选择了增加轮眉方案作为该车的优化措施，并试制样件进行装车试验。

为了确保在相同测试条件下完成测试验证，在车辆的左侧加装轮眉，右侧保持原车状态。同样选择首次试验时的测试路段进行测试对比。由于天气条件影响，本次试验最终污染程度不及首次试验。但通过左右两侧的污染轨迹对比，足以识别出增加轮眉结构对改善车门、门把手、侧围及翼子板区域的泥水污染效果明显。其中图10为右侧车身（未加装轮眉）的污染情况，图11为左侧车身（加装轮眉）的污染情况。

4 结论

（1）本文通过对某重型卡车的整车外流场及泥水飞溅污染情况进行仿真分析，识别出存在的泥水飞溅污染风险。并通过实车测试，证实了仿真分析的结论。验证了仿真分析方法及分析精度能够满足工程应用需求；

（2）根据原车的流场特点提出的优化包角板、增加轮眉和优化前保造型等三个优化措施，通过仿真确认方案对驾驶室侧面污染均有一定程度的改善。其中，增加轮眉对改善门把手关键区域的污染效果明显，前保优化方案在车门及护板、侧围及侧导流罩区域污染区域面积及污染程度上均有了较大的改善。并最终综合实施便利性选择增加轮眉方案进行了实车验证，证实了改善效果。

（3）本研究为重型卡车的车身防污性能的提升及新车型的开发提供了参考。

参考文献：

[1]罗雪香，许哲，李宏锋. 城市客车行驶状态车身表面污染仿真与优化[J]. 客车技术与研究. 2022，28（5）：10（6）.

[2]殷硕，陈焕明，王亚伦. 基于车轮飞溅的轿车车身污染模拟及控制[J]. 青岛大学学报 （工程技术版）. 2021，16（4），79-86.

[3]辛俐，兰巍，刘江等. 汽车涉水车身表面污染仿真及控制[J]. 吉 林 大 学 学 报 （ 工学版 ），2019，49（6）：1787-1788.

[4]Kabanovs A， Garmory A， Passmore M， et al. Computational simulation of unsteady flow field and spray impingement on a simplified automotive geometry[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2017， 171（2）： 178-195.

[5]王靖宇，于旭涛，胡兴军等 . 汽车外后视镜流致振特性及其流动机理[J]. 吉林大学学报：工学版，2017，47（6）：1669-1676.

[6]廖磊.车轮溅水及其对车身表面污染的仿真研究[Ｄ].长春：吉林大学，2014．

[7]刘畅，刘方，安忠柱. 空气动力学在重型载货汽车上的新进展[J]. 拖拉机与农用运输车，2007，34（5），2-3.

栗广生

毕业于广西科技大学，研究生学历。现就职于东风柳州汽车有限公司商用车技术中心，任设计师，主要从事整车性能集成开发和CAE虚拟仿真研究工作，已发表论文及授权发明专利十余项。

专家推荐语

周菊红

东风商用车技术中心

车身设计总师 研究员级高级工程师

重型卡车开发过程中经常遇到车身侧面泥水飞溅污染的问题，由于该问题产生机理复杂，解决起来往往耗费较多的工时，周期比较长，本文借助外流场仿真分析手段，对比出了三个改善方案的优化效果，又采用了与试验测试相结合的方式，验证出改善卡车侧面防污染，具有很好的借鉴和推广价值。