重型載貨汽車底部塵土污染仿真與抑制＊

唐榮江 張成 陸增俊 肖飛 施朝坤

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

針對某重型載貨汽車在低速行駛過程中的塵土污染問題，建立車輛與整個流場區域模型，并將模型導入CFD軟件進行仿真。由仿真結果可知，空氣經過冷卻風扇后，部分氣流吹向車輛底部地面造成局部揚塵污染。據此提出2種改進方案，并進行仿真研究。結果表明，延長護風罩和增加導流板對揚塵有很大的抑制作用，分別使污染區域減少58.9%和50%，車輛底部空氣流場明顯改善。

1 前言

我國道路情況復雜，路面上普遍含泥土、積塵，而機動車路面污染來源主要是行駛過程引起的道路二次揚塵。對于塵土污染問題在國內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Stefan Roettger等研究人員利用CFD軟件對某轎車進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雜車底幾何模型進行計算仿真，驗證了數值計算方法對車身底部流場模擬的有效性[2]。

本文重點研究低速行駛過程中路面揚塵污染的原因，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）分析方法與離散動力學原理，分析車輛底部流場，找到車輛塵土污染問題的解決辦法，并對優化措施進行仿真驗證。

2 問題的提出

某款新型國產重型載貨汽車在行駛過程中，經過泥土路面時易激起地面塵土，形成局部嚴重空氣污染。揚塵污染主要分為揚塵和降塵：揚塵直徑一般小于15 μm，在擾動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，對路面泥塵有影響作用的主要是車輪的轉動與冷卻系統氣流擾動，另外，部分揚塵顆粒進入發動機艙內部，造成散熱器阻塞，降低冷卻系統散熱效率[4]，同時，塵土覆蓋在發動機與艙內部件表面造成散熱不均，導致艙內局部溫度過高等問題。

3 理論基礎

3.1 揚塵起塵量

揚塵顆粒運動具有不確定性，車輛載重、車速對起塵量都有一定影響，對于車輛表面塵土，起塵量由經驗公式計算[5]：

式中，v為車速；m為車輛質量；P為地面塵土量。

3.2 湍流控制方程

重型載貨汽車行駛時，馬赫數一般小于0.3，車輛周圍空氣可看作密度不變的不可壓縮氣體。車輛整體流場滿足N-S基本方程，為保證計算精度，選用Realizablek-e模型，即湍流動能k方程和耗散率e方程，求解汽車外流場規律和分析塵土污染。

3.3 離散相顆粒運動模型

車輛周邊區域內顆粒密度遠大于流體密度，所有顆粒看作是相同密度的球體[6]，且忽略沙塵顆粒之間的相互作用。采用拉格朗日法對DPM顆粒軌跡進行預測[7]，笛卡爾坐標下，顆粒在x方向受到的作用力平衡方程為：

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

其中，牽引阻力的計算公式為：

其他受力的計算公式為：

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

4 CFD仿真分析

4.1 仿真模型與區域

本文針對車輛底部氣流對塵土污染的影響進行研究，在保證計算精度和效率的情況下，對車輛發動機、車輪、進氣格柵、冷卻系統、進、排氣系統、車架等部件進行相應的簡化[4]。車輛外流場區域取進口距車前端3倍車長，車尾距出口6倍車長，車旁左、右側各取3倍車寬，總高度為5倍車長[8]，如圖2所示。

圖2 模型三維計算區域

4.2 網格條件

將數模導入CFD軟件，利用四面體網格對數模進行有限元分析。由于空間區域較大，網格采取梯度漸進劃分方式，車輛外流場區域設置網格尺寸為700 mm[9]。為了分析更加準確，對車身附近網格尺寸進行加密，最小網格尺寸設置為20 mm，總體網格數量約為3 200萬個。

4.3 DPM設置

DPM設置主要包括顆粒入射區域、顆粒屬性、初始參數等。本文主要研究重型載貨汽車底部氣流場對塵土的作用情況，在車輛行駛過程中，塵土靜止在路面，冷卻風扇排出的氣流會激起地面顆粒運動。根據實際環境情況，將地面投影區域設置為顆粒入射口，初始速度為0，入射質量流量為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，因此車輛底部與發動機部分采用捕獲（trap）邊界條件。氣流卷起的揚塵與車輪部分產生反彈，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，湍流模型采用RNG k-ε湍流模型，并且使用standard壁面函數，通過simple算法耦合壓力和速度矢量。相關條件設置如表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，車輪與冷卻風扇都有可能對路面塵土產生影響[11]。為了確定揚塵產生的原因，設置2種仿真工況：工況1為車輛駐車，冷卻風扇轉速1 800 r/min；工況2為車輛10 m/s勻速運動，冷卻風扇轉速為0，車輪轉動角速度ω=52 rad/s。

表1 條件參數設置

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，部分顆粒向車前擴散，另一部分進入發動機艙。由圖3b可以看出，揚塵顆粒僅在車輪附近濃度較高，并未造成整個區域的揚塵污染。綜上所述，車輛在低速行駛時，車輪轉動雖與地面塵土接觸，但并未產生大量塵土顆粒擾動。該車型造成的塵土污染主要受冷卻風扇導出氣流影響，據此，應對冷卻系統流場進行進一步分析。

圖3 顆粒軌跡對比

5.2 速度流場

原車冷卻風扇導出空氣流場矢量如圖4所示。圖4a可知，車輛前方空氣進入散熱器后，在冷卻風扇的作用下垂直導向地面，激起顆粒運動，在一定范圍內產生向前、向后的2個漩渦，將該區域的顆粒向上卷起，沉積在車前橋與發動機艙底部，從而造成表面揚塵污染，與上節中顆粒運動軌跡相印證。從圖4b中可以看出，氣流接觸地面后向車輪方向運動，使得塵土顆粒附著在輪胎內側。

5.3 揚塵覆蓋

揚塵沉積情況如圖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，向上的揚塵氣流已經對車輛底部產生一定沖擊，揚塵沉積范圍廣，并且在車輪內側與車前橋處較為集中。利用Photoshop軟件計算得出，車輛正面投影區域有167 800個像素，污染區域有53 696個像素，揚塵污染約占投影區的32%。

圖4 冷卻系統導出氣流

6 改進方案和效果分析

從成本和可操作性方面考慮，基于發動機艙底部流場情況與揚塵產生機理[16]，設置2種改進方案（見圖6）：a.將護風罩邊緣長度從130cm增加至150cm，減少冷卻氣流向下輻射量；b.在車架下方加裝導流板，增加進風速率。采用與原車相同的條件進行仿真，并進行進一步分析。

圖5 揚塵沉積對比

圖6 改進方案

6.1 延長護風罩

圖7為原車及改進方案1的流場仿真結果。從仿真結果對比可知，原車氣流直接導向地面（見圖7a）；而延長護風罩后，氣流從冷卻系統導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，降低了氣流擾動對地面塵土的影響（見圖7b）。

圖7 延長護風罩前后速度流線對比

圖8所示為塵土沉積量仿真結果。由圖8可知，延長護風罩后，顆粒沉積已經明顯較原車少，最大濃度不超過0.03 mg/m3。利用軟件計算得出污染區域減少到22 019個像素，降低約58.9%。由此可見，方案1對揚塵污染的抑制效果較好。

圖8 延長護風罩前、后塵土沉積對比

6.2 增加導流板

導流板設置在車架下方，不會與其他零部件產生干涉。通過圖9流場圖對比可知，導流板增加了前方進氣速率，使得冷卻風扇導出的氣流導向車后；減少氣流與地面接觸，抑制揚塵污染產生[12]。

圖9 安裝導流板前后速度流線對比

從圖10塵土沉積量對比可知，增加導流板后，車輛塵土沉積量明顯下降，最大濃度不超過0.02 mg/m3。通過軟件計算得知，污染區域減少至26 822個像素，減少幅度約為50%。

圖10 安裝導流板前后塵土沉積對比

7 結束語

本文通過對冷卻風扇導出氣流進行仿真分析，得出氣流沖擊地面激起塵土顆粒上揚是車輛產生揚塵污染的主要原因。塵土顆粒沉積主要分布在車橋、車輪內側以及發動機表面。

針對車輛揚塵產生機理，提出了兩種改進措施，即延長護風罩長度和增加導流板。兩種方法抑制揚塵效果明顯，并且實際操作簡單，可為重型載貨汽車的設計提供參考。

1 王振.汽車車身塵土污染數值仿真與控制研究：[學位論文].株洲：湖南工業大學，2013.

2 董立偉.基于內流的汽車氣動性能研究與分析：[學位論文].株洲：湖南工業大學，2013.

3 朱景韓，濟俞清，賀建國，等.汽車道路煤揚塵瑰麗研究.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值仿真與控制.長安大學學報（自然科學版），2015，35（5）：146～152.

6 胡文成，王良模，鄒小俊，等.卡車發動機艙流場分析與散熱性能研究.機械設計與制造，2013（8）：100～103.

7 張承中，劉立忠，李濤.單輛機動車二次揚塵量化計算的實驗研究.環境工程，2002，20（5）：38～40.

8 仇滔，宋鑫，雷艷，等.柴油機噴孔內空化過程與流動特性研究.農業機械學報，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，顧兆林.基于DPM模型的街谷內顆粒物擴散特征研究.中國科學院研究生院學報，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

教育部新世紀人才計劃項目（NCET-11-0157）；廣東省自然科學基金項目（2016A030313463）。

（責任編輯斛 畔）

修改稿收到日期為2017年6月15日。