工程車輛輪蝸流場(chǎng)數(shù)值模擬及抑塵式擋泥板優(yōu)化設(shè)計(jì)

王霞

摘要：工程車輛揚(yáng)塵是道路揚(yáng)塵的重要成因之一。本文使用 Fluent 軟件對(duì)工程車輛驅(qū)動(dòng)輪輪窩處的空氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真，構(gòu)建了流場(chǎng)數(shù)值模擬的湍流模型，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬三維流場(chǎng)，獲得了車輛尾部和側(cè)面氣流流動(dòng)狀況對(duì)揚(yáng)塵的影響規(guī)律。并根據(jù)輪窩處的流場(chǎng)特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)了具有抑塵作用的擋泥板。

關(guān)鍵詞：Fluent;動(dòng)網(wǎng)格;輪窩;抑塵板;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 ?引言

工程車輛在城市道路揚(yáng)塵中占有重要的比例，根據(jù)北京城區(qū)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出，汽車道路揚(yáng)塵造成的PM10 占大氣PM10總量的30%[1]。相關(guān)研究表明機(jī)動(dòng)車行駛過程中路面二次揚(yáng)塵約占城區(qū)內(nèi)PM10總量的30～50%[2-4]，而工程車輛造成的揚(yáng)塵尤為明顯，治理工程車輛的揚(yáng)塵日益受到重視。

工程車輛運(yùn)行時(shí)輪胎與地面滾動(dòng)過程中，由于輪胎和地面存在灰塵，車輛行駛產(chǎn)生的氣體流動(dòng)及輪胎花紋內(nèi)空腔的擠壓變形產(chǎn)生氣爆最終造成滾動(dòng)揚(yáng)塵，滾動(dòng)揚(yáng)塵是工程車輛揚(yáng)塵的重要因素。

本文對(duì)工程車輛行駛過程中驅(qū)動(dòng)輪輪窩處的氣體流場(chǎng)為研究對(duì)象，采用湍流模型和氣固二相流數(shù)值模擬分析方法，探索工程車輛驅(qū)動(dòng)輪輪窩內(nèi)外速度場(chǎng)壓力場(chǎng)的變化規(guī)律。車輛擋泥板具有控制車輪沿圓周方向向外甩液態(tài)或固態(tài)物的作用，同時(shí)也可因其結(jié)構(gòu)的變化改變輪窩處的流場(chǎng)狀態(tài)，控制和抑制灰塵揚(yáng)起的數(shù)量和方向。根據(jù)輪窩處的流暢規(guī)律設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)半封閉式的擋泥板，并在其內(nèi)側(cè)加裝了毛刷，極大地衰減了灰塵的動(dòng)能，起到了降低工程車輛滾動(dòng)揚(yáng)塵的效果。

1 ?工程車輛輪窩處的氣體流動(dòng)狀態(tài)分析

車輛的輪窩有擋泥板及內(nèi)側(cè)擋板組成，通過整車數(shù)值模擬可知其輪窩縱向形狀是影響整車流暢的主要因素，而且擋泥板的幾何形狀決定了輪窩形狀及氣流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。現(xiàn)有的工程車輛輪窩有兩種形狀，分別是梯形擋泥板構(gòu)成的梯形輪窩（圖1）和圓弧形擋泥板構(gòu)成的弧形輪窩（圖2）。本文以梯形輪窩結(jié)構(gòu)為例建立三維模型分析。

1.1 模型的建立

本文利用三維軟件UGNX建立工程車輪窩三維模型，利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格化，然后用FLUENT軟件構(gòu)建湍流分析模型，研究基于工程車輛行駛狀態(tài)的動(dòng)網(wǎng)格分析方法。以某商用車參數(shù)為例建立三維模型及參數(shù)化關(guān)聯(lián)尺寸，其參數(shù)為：氣相為空氣，固相為直徑0.01mm的顆粒物，密度為1200Kg/m3，車輪與氣流的相對(duì)速度為10m/s，設(shè)置入口邊界和出口邊界以及壁面條件，出口邊界為壓力出口。

在DM中建立如圖3所示的三維模型和三維流場(chǎng)模型，輪胎三維模型采用CREO軟件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入ansys軟件的DM模塊中，在DM模塊中建立擋泥板的參數(shù)化模型[5-6]。

1.2 輪窩流場(chǎng)的三維仿真分析

根據(jù)分析精度要求，設(shè)置各個(gè)參數(shù)殘差控制參數(shù)，并進(jìn)行流場(chǎng)域初始化，初始化后設(shè)置計(jì)算步數(shù)和步長等參數(shù)，檢查模型并提交進(jìn)行運(yùn)算，通過數(shù)值模擬分析獲得速度流線圖、截面速度矢量圖、截面壓力云圖、截面速度云圖、截面流線圖等，分析如圖4-圖9。

由圖4中可以看出，空氣流線流經(jīng)輪胎和擋泥板之后，流線之間會(huì)有交叉，氣流流經(jīng)擋泥板上部后，會(huì)折彎向下流動(dòng)，流經(jīng)底部和側(cè)面的氣流會(huì)向上流動(dòng)，上部、下部氣流之間會(huì)相互影響。為了分析空氣的速度矢量變化，建立如圖5所示的截面，并分析其速度矢量變化。獲得的速度矢量圖如圖6所示。

圖6中可以看出，在擋泥板的上部左右兩個(gè)角的位置，速度會(huì)發(fā)生加速，在擋泥板的內(nèi)部的兩個(gè)拐角處，會(huì)有湍流場(chǎng)出現(xiàn)，發(fā)生了旋渦，在擋泥板的外側(cè)后部也會(huì)發(fā)生旋渦。截面的壓力云圖如圖7所示。

圖7中可以看出，在輪胎的前部和擋泥板的前部壓力較大，阻礙了氣流流動(dòng)，在擋泥板的上部兩個(gè)拐角處，壓力梯度變化較大，在擋泥板的內(nèi)部，在輪胎上部和擋泥板的后部壓力較大，氣流流經(jīng)擋泥板后，與輪胎的后部區(qū)域，壓力相對(duì)較小，擋泥板的上部后方，壓力較小。

圖8中可以看出，在矩形輪窩內(nèi)空氣的流動(dòng)速度與流通截面及成反比，在邊角處壓力大流速小容易沉積顆粒物。在輪窩內(nèi)表面與車輪距離最近處，氣流速度有增加，氣流經(jīng)過輪窩后會(huì)沖向地面并向后延伸造成劇烈揚(yáng)塵，利用擴(kuò)壓原理延長輪窩后部尺寸，降低氣流速率有利于改善揚(yáng)塵。

截面速度流線圖如圖9所示，空氣流經(jīng)輪胎和擋泥板后，速度方向會(huì)發(fā)生變化，尤其在接近地面區(qū)域變化較大，在擋泥板的內(nèi)側(cè)前部和外部后側(cè)各有一個(gè)渦流區(qū)域。

2 ?抑塵式擋泥板的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

2.1.1 輪窩改進(jìn)措施

通過數(shù)值模擬可知：輪窩內(nèi)垂直于路面的速度梯度的劇烈變化及空氣的擾動(dòng)作用，帶動(dòng)顆粒物揚(yáng)起并碰撞，然后從輪窩兩側(cè)及后方溢出，向低壓區(qū)域運(yùn)動(dòng)與遷移造成揚(yáng)塵。將矩形輪窩前擋板縮短后擋板加長如圖10所示，輪窩前部壓力高于后部壓力如圖11所示，車輛迎面較潔凈的氣流沿車輪上表面向后方流動(dòng)如圖12，帶動(dòng)殘留在輪胎表面的顆粒物向后擋泥板堆積，同時(shí)起到清理輪胎表面減少輪窩前部的揚(yáng)塵作用。如圖12所示后擋泥板加長隔離了后擋泥板后方的渦流與車輪后下方氣流的相互作用，可有效地降低揚(yáng)塵。

2.1.2 減少輪窩內(nèi)氣流向外流動(dòng)的通道面積

輪窩內(nèi)氣流向外流動(dòng)的通道也是揚(yáng)塵的重要部位，減少其通道面積，盡量將含有灰塵的氣流封閉在輪窩內(nèi)有利于對(duì)其后處理，為此在輪胎內(nèi)外分別設(shè)置擋板減少了氣流流通面積。

2.1.3 輪窩內(nèi)加裝抑塵板

為降低輪窩內(nèi)的含有顆粒物的氣流速度以及使顆粒物與空氣分離并積存，采用表面設(shè)置毛刷的抑塵板，含有顆粒物的氣流進(jìn)入毛刷區(qū)域動(dòng)能將大幅度衰減，在慣性力作用下部分空氣與顆粒物分離存儲(chǔ)在抑塵板內(nèi)（后期沖洗掉），其他顆物將順毛刷表面向下滑移降低了揚(yáng)起的能量。在輪窩內(nèi)表面全部加裝抑塵板，通過模擬實(shí)驗(yàn)抑塵效果明顯。

2.2 抑塵式擋泥板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抑塵式擋泥板各組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總成裝配采用三維建模設(shè)計(jì)軟件SolidWorks來完成。整體結(jié)構(gòu)采用組合裝配結(jié)式構(gòu)如圖13所示。主要有五部分組成：上擋板、前擋板、后擋板及車輪內(nèi)外側(cè)擋板。上擋板為基礎(chǔ)構(gòu)建，設(shè)有與車架連接的螺栓孔和與其它各擋板或構(gòu)建鏈接孔，后擋板與上擋板采用彈性連接裝置，當(dāng)受到障礙物碰撞時(shí)會(huì)向上抬起避免構(gòu)件損壞，輪胎兩側(cè)護(hù)板采用螺栓鏈接便于拆卸，所有構(gòu)建沿輪窩內(nèi)表面都通過螺釘鏈接抑塵板，方便立即更換（如圖13）。

擋泥板各組成部分之間通過螺栓兼顧且可拆卸，便于清洗。其中，上擋板與前擋板為一體設(shè)計(jì)成型，并通過上擋板前后預(yù)留8個(gè)螺栓孔，與車架緊固連接。后擋泥板總成采用彈性連接裝置，當(dāng)受到障礙物碰撞時(shí)會(huì)向上抬起避免構(gòu)件損壞。

在抑塵式車擋泥型材料選擇上應(yīng)考慮到強(qiáng)度、韌性及抗腐蝕性，當(dāng)選用非金屬材料時(shí)還要考慮抗老化性。毛刷作為重要的抑塵結(jié)構(gòu)件其材料要求更為苛刻，尤其是強(qiáng)度和壽命將其決定技術(shù)的應(yīng)用性，可采用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（GMT）絲或高強(qiáng)度不銹鋼絲植入抑塵板表面。

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