道路揚(yáng)塵揚(yáng)散特性研究*

□ 陳卓文 □黃海波 □董家楠 □張 濤

寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院 浙江寧波 315211

1 研究背景

車輛行駛過程中，會產(chǎn)生剪切氣流和誘導(dǎo)氣流，使沉積在道路上的各類顆粒物向空中揚(yáng)散,這是路面揚(yáng)塵形成的主要原因。隨著車輛燃油排放標(biāo)準(zhǔn)的逐漸嚴(yán)格,非燃燒排放顆粒物對城市空氣質(zhì)量影響的比重越來越大[1]。道路揚(yáng)塵作為非排放顆粒物的重要組成部分,對大氣中細(xì)顆粒物濃度會產(chǎn)生非常大的影響[2],已成為城市大氣顆粒物的主要來源之一。

由于時空變異性等原因[3],道路揚(yáng)塵的研究多集中于對其物理特性的分析,如分析道路揚(yáng)塵的元素成分、分布特征等[4]。然而，車輛行駛引起周圍空氣流動才是道路揚(yáng)塵揚(yáng)散的直接原因,因此，有關(guān)道路揚(yáng)塵揚(yáng)散特性的研究必須考慮車輛的空氣動力學(xué)特性。鑒于空氣動力學(xué)特性對燃油經(jīng)濟(jì)性的重要影響,諸多學(xué)者更多側(cè)重于探討車輛外形與車輛風(fēng)阻因數(shù)的關(guān)系[5],而關(guān)于道路揚(yáng)塵揚(yáng)散特性的研究則較少。近年來,人們對環(huán)境問題日益重視,有學(xué)者開始關(guān)注道路揚(yáng)塵問題。Gerardin等[6]使用計算流體動力學(xué)軟件研究了單個輪胎的流場及其周圍氣流的軌跡和速度,揭示了輪胎旋轉(zhuǎn)對周圍流場及附近顆粒運(yùn)動軌跡的影響。

筆者建立車輛-地面-揚(yáng)塵流體力學(xué)模型,用旋轉(zhuǎn)壁面定義輪胎滾動,設(shè)定道路揚(yáng)塵粒徑尺寸符合Rosin-Rammler分布[7],將粒徑范圍為1～10 μm的道路揚(yáng)塵作為主要研究對象,模擬其在流場中的運(yùn)動情況。通過探討道路揚(yáng)塵粒徑和車輛行駛速度等因素對道路揚(yáng)塵揚(yáng)散特性的影響,分析道路揚(yáng)塵揚(yáng)散的一般規(guī)律,為道路揚(yáng)塵的防控和環(huán)境保護(hù)提供理論指導(dǎo)。

2 數(shù)學(xué)模型

道路揚(yáng)塵在車輛外流場中的運(yùn)動屬于多相流問題,筆者應(yīng)用納維-斯托克斯方程描述流場中的空氣流動,采用離散相拉格朗日模型對道路揚(yáng)塵揚(yáng)散運(yùn)動進(jìn)行軌跡追蹤。為便于建模和解算,對顆粒相進(jìn)行如下假設(shè):

(1) 所有顆粒相均為球形顆粒;

(2) 顆粒相在空氣中所占體積濃度較低,可視為離散相,不考慮顆粒之間的相互作用。

汽車外部的空氣流動符合質(zhì)量、動量及能量守恒定律，連續(xù)方程和能量守恒方程[8]分別為:

(1)

(2)

式中:αf為流體體積分?jǐn)?shù);ρf為氣體密度;μf為氣體動力黏度;τf為黏性應(yīng)力張量;p為顆粒處壓力梯度;g為重力加速度;fdrag為流體平均顆粒流體阻力;t為流體流動時間。

(3)

(4)

式中：ΔV為計算控制體的體積；vpi為顆粒i在控制體中所占的體積；Fdrag為單個顆粒所受的流體黏性阻力；Ii為顆粒i的轉(zhuǎn)動慣量；n為控制體中顆粒的數(shù)量。

流體相湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型描述。

3 流場域模型

以某系列轎車為原型,建立三維模型，并進(jìn)行適當(dāng)簡化和平整化處理。汽車車身及輪胎接地模型如圖1所示，輪胎型號為205/55R16。

▲圖1 汽車車身及輪胎接地模型

為模擬車輛實(shí)際行駛,在汽車周圍建立計算域流場,模擬汽車行駛過程中與空氣的相互作用。計算域尺寸為十倍車長、五倍車寬和五倍車高[9],其中一面定義為對稱面,除進(jìn)口和出口外,其余均定義為墻面[10]。對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并對輪胎、車身近壁面流動區(qū)域、車尾等計算敏感區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格精細(xì)化處理,單元尺寸隨地面和車身之間距離的增大而增大。由于汽車外流場屬于黏性、非定常、不可壓縮流,且具有典型的三維分離流動特性,因此按湍流進(jìn)行處理[11]。

進(jìn)行數(shù)值模擬時,設(shè)置風(fēng)速為16.6 m/s,湍流強(qiáng)度為2.2%,兩側(cè)壁面固定,地面為移動壁面,模擬車輛行駛時地面的相對運(yùn)動。輪胎表面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面,模擬輪胎的實(shí)際運(yùn)動,旋轉(zhuǎn)速度為54 rad/s。除計算域入口和出口的邊界條件設(shè)置為逃逸外,其余壁面均設(shè)置為反彈。環(huán)境壓力和20 ℃環(huán)境溫度下，空氣密度為1.225 kg/m3,黏度為1.789 4×10-5Pa·s[12]。

地面處于流場底面，設(shè)置為道路揚(yáng)塵出口。道路揚(yáng)塵初始速度為零,密度為2 719 kg/m3,粒徑為1～10 μm。為體現(xiàn)道路揚(yáng)塵粒徑的不規(guī)則分布,設(shè)定其尺寸符合Rosin-Rammler分布[13]。

4 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

由于直接驗(yàn)證模型中道路揚(yáng)塵運(yùn)動的軌跡存在較大難度,因此考慮測量輪胎中心平面上車輪與覆蓋件間隙的壓強(qiáng)和速度值,將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行對比分析,從側(cè)面驗(yàn)證計算模型的準(zhǔn)確性。測量點(diǎn)位置如圖2所示,設(shè)輪轂轉(zhuǎn)角為θ,取水平向右方向?yàn)?°。從輪轂轉(zhuǎn)角為0°時開始,沿逆時針方向在汽車前輪與覆蓋件間隙處每隔30°設(shè)置一個測量點(diǎn),至輪轂轉(zhuǎn)角為180°時結(jié)束,共設(shè)置七個測量點(diǎn)，測量壓強(qiáng)和速度值。

▲圖2 測量點(diǎn)位置

試驗(yàn)設(shè)備主要包括輪胎路面模擬器試驗(yàn)裝置、鼓風(fēng)機(jī)、205/55R16型輪胎、數(shù)字微壓計等。試驗(yàn)所采用的輪胎路面模擬器試驗(yàn)裝置如圖3所示。

試驗(yàn)時，將外套管和皮托管與數(shù)字微壓計相連,打開數(shù)字微壓計電源開關(guān),待數(shù)字微壓計預(yù)熱5～15 min后,對數(shù)字微壓計進(jìn)行清零。將數(shù)字微壓計前端對準(zhǔn)來流,此時數(shù)字微壓計顯示屏上會顯示所測氣流速度值。待數(shù)字微壓計的計數(shù)穩(wěn)定后,可以直接讀取測量值。經(jīng)多次測量后，取平均值得到結(jié)果。

▲圖3 輪胎路面模擬器試驗(yàn)裝置

通過試驗(yàn)獲得車輪與覆蓋件間隙不同位置處氣流的速度和壓強(qiáng),分布曲線分別如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知,車輪與覆蓋件之間氣流的速度和壓強(qiáng)具有明顯的波動,數(shù)值計算結(jié)果和試驗(yàn)測量結(jié)果有相似的變化趨勢,在輪轂轉(zhuǎn)角為90°和120°時氣流速度較慢,在輪轂轉(zhuǎn)角為60°和150°時氣流壓強(qiáng)較大,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果變化趨勢較為吻合。由于模型結(jié)構(gòu)的差異、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速的不穩(wěn)定性,以及試驗(yàn)室的環(huán)境和場地對氣流運(yùn)動造成一定干擾,數(shù)值模擬和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差,但在可接受范圍之內(nèi)。

▲圖4 車輪與覆蓋件間隙不同位置處氣流速度分布曲線

5 道路揚(yáng)塵沿程擴(kuò)散分析

車輛行駛速度為60 km/h時,分別進(jìn)行高度1.5m橫向和車輛對稱中心面處縱向道路揚(yáng)塵濃度分析。道路揚(yáng)塵橫向擴(kuò)散濃度云圖如圖6所示,道路揚(yáng)塵隨著車輛行駛及輪胎高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣流動揚(yáng)散,并向后部擴(kuò)散發(fā)展,濃度主要分布在車身以下及周圍近地面區(qū)域,在后部流場發(fā)展形成楔形區(qū)域。W為道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度的測量邊界。道路揚(yáng)塵縱向擴(kuò)散濃度云圖如圖7所示,道路揚(yáng)塵在車身后部流場20 m左右位置擴(kuò)散高度達(dá)2 m左右,之后呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。H為道路揚(yáng)塵擴(kuò)散高度的測量邊界。

▲圖5 車輪與覆蓋件間隙不同位置處氣流壓強(qiáng)分布曲線

▲圖6 道路揚(yáng)塵橫向擴(kuò)散濃度云圖▲圖7 道路揚(yáng)塵縱向擴(kuò)散濃度云圖

觀察距離后輪1 m處的空氣流動狀態(tài),如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，氣流從車身外側(cè)向車體中間流動,氣流渦旋相對于車輪輪廓向內(nèi)側(cè)略微偏移,在輪胎內(nèi)側(cè)近地面處形成一個低速的湍流區(qū),促使汽車尾部近地面處的氣流向內(nèi)側(cè)流動。可見,車輛在行駛過程中,車輪后部和地面之間的道路揚(yáng)塵揚(yáng)起后，受到湍流的橫向作用,向車身后部流場的內(nèi)側(cè)方向遷移，導(dǎo)致車輪后部尾跡偏內(nèi)側(cè)具有較高的顆粒濃度。輪胎后部速度場如圖9所示。隨著車速加快,車身尾部近地面處渦流對道路揚(yáng)塵擴(kuò)散發(fā)展造成的影響越來越明顯[14],導(dǎo)致道路揚(yáng)塵橫向擴(kuò)散運(yùn)動呈現(xiàn)收斂趨勢。

▲圖8 距離后輪1 m處空氣流動狀態(tài)▲圖9 輪胎后部速度場

6 道路揚(yáng)塵擴(kuò)散影響分析

6.1 粒徑

為進(jìn)一步研究道路揚(yáng)塵的擴(kuò)散情況,獲得車輛行駛過程中道路揚(yáng)塵擴(kuò)散的影響因素,采取控制變量法分別對不同粒徑及不同車速下道路揚(yáng)塵的擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬。考慮到實(shí)際道路環(huán)境中道路揚(yáng)塵的粒徑尺度[15],設(shè)置0.1～1 μm、1～10 μm、10～50 μm、50～100 μm、100～150 μm、150～300 μm、300～500 μm七個粒徑范圍，分別進(jìn)行數(shù)值模擬,車輛行駛速度為60 km/h。

道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度和高度隨粒徑變化曲線分別如圖10、圖11所示。

由圖10可知,道路揚(yáng)塵的擴(kuò)散寬度為車身外側(cè)3 m左右,并且隨著粒徑的增大而減小。由圖11可知，道路揚(yáng)塵的擴(kuò)散高度隨粒徑增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,粒徑為50 μm左右時道路揚(yáng)塵擴(kuò)散高度達(dá)到最大值,為1.83 m左右。對于粒徑小于10 μm的可吸入道路揚(yáng)塵而言,車速為60 km/h時,擴(kuò)散大致在寬度3.0 m、高度1.70 m左右的空間內(nèi)。粒徑大于100 μm的道路揚(yáng)塵，擴(kuò)散高度最高為0.5 m左右,這與可懸浮顆粒物的粒徑尺度分界線為100 μm是相對應(yīng)的。

呼吸帶指位于人體口鼻附近的空氣帶,高度通常為0.5～1.5 m,這部分空氣中的顆粒物會直接影響人體呼吸系統(tǒng)[16]。為研究呼吸帶上道路揚(yáng)塵的擴(kuò)散特性,獲得人與車并行環(huán)境下的最優(yōu)化距離,筆者測量呼吸帶高度平面為0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m、1.5 m、1.8 m時的道路揚(yáng)塵濃度分布情況。道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨高度變化情況如圖12所示,可以發(fā)現(xiàn)道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨高度的增大而逐漸減小,呼吸帶對應(yīng)道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度主要集中于車身外側(cè)2～3.2 m范圍，即人體需要在車身外側(cè)3 m以外，才有可能免受道路揚(yáng)塵的影響。

▲圖10 道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨粒徑變化曲線▲圖11 道路揚(yáng)塵擴(kuò)散高度隨粒徑變化曲線

▲圖12 道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨高度變化情況

6.2 汽車行駛速度

以粒徑為1～10 μm的道路揚(yáng)塵為研究對象,分別模擬車輛行駛速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h、120 km/h時的道路揚(yáng)塵濃度分布情況。

道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度和擴(kuò)散高度隨車速變化曲線分別如圖13、圖14所示。由圖13可知,道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨著車速加快，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)車速為60 km/h時，達(dá)到擴(kuò)散寬度的臨界點(diǎn)。由圖14可知,道路揚(yáng)塵擴(kuò)散高度隨車速的變化較為平穩(wěn),總體在2.0～2.5 m,受車速影響不明顯。

▲圖13 道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨車速變化曲線▲圖14 道路揚(yáng)塵擴(kuò)散高度隨車速變化曲線

車輛行駛速度加快到一定程度之后,車身底部回旋渦流對道路揚(yáng)塵橫向擴(kuò)散造成的影響較為明顯,導(dǎo)致橫向擴(kuò)散寬度呈現(xiàn)收斂趨勢,因此擴(kuò)散寬度也呈現(xiàn)出遞減的趨勢。

選取主要呼吸帶高度1.5 m的水平面，道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨車速變化曲線如圖15所示。車速達(dá)到60 km/h時，1.5 m高度水平面上的道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度約為2.0 m,與圖12所示一致。隨著汽車行駛速度的加快,呼吸帶水平面上道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度雖有小幅波動,但是總體范圍較小,基本保持在車身兩側(cè)約2 m的范圍之內(nèi)。可見，呼吸帶高度為1.5 m左右的人群，保持與行駛車輛2 m以上的距離,基本可以保證正常呼吸，且不受道路揚(yáng)塵擴(kuò)散作用所帶來的不良影響。

▲圖15 1.5 m高度道路揚(yáng)塵擴(kuò)散寬度隨車速變化曲線

7 結(jié)束語

筆者通過離散項(xiàng)數(shù)值模擬方法，研究了道路揚(yáng)塵的動態(tài)擴(kuò)散過程及非均勻分布特征，分析了道路揚(yáng)塵粒徑和車輛行駛速度對道路揚(yáng)塵擴(kuò)散的影響。

道路揚(yáng)塵受車身周圍高速氣流的影響,在水平方向上主要集中于車輛行駛的直線軌跡上,并以遞減的趨勢向后方及兩側(cè)擴(kuò)散,受影響區(qū)域?yàn)檐嚿韮蓚?cè)3 m左右范圍。豎直面內(nèi)道路揚(yáng)塵隨氣流向車輛后部流場擴(kuò)散,自近地面處向上道路揚(yáng)塵濃度逐漸減小,平均擴(kuò)散高度約為2.5 m。

通過研究呼吸帶高度平面道路揚(yáng)塵濃度分布情況,發(fā)現(xiàn)道路揚(yáng)塵在呼吸帶高度平面上的擴(kuò)散寬度約為車身兩側(cè)2 m左右,即保證行人呼吸健康的安全位置應(yīng)為車身兩側(cè)2 m以外。筆者建立的流場域模型為道路揚(yáng)塵運(yùn)動規(guī)律的研究和污染的防控提供了一定的理論參考。