商用車車身底部塵土污染分析及優(yōu)化

唐榮江, 張 淼, 胡賓飛, 王青青

(桂林電子科技大學機電工程學院，桂林 541004)

隨著城市化進程加快，交通網(wǎng)絡日益繁榮，機動車二次揚塵已成為城市揚塵的重要來源。北方城市空氣中總懸浮顆粒物(total suspended particulate,TSP)污染的貢獻率已達20%以上，尤其是商用車工作環(huán)境比較惡劣，路面泥土、積塵較多，容易導致?lián)P塵。所以塵土污染問題近幾年引起了足夠的重視。

研究人員利用計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)軟件對某轎車進行了基于顆粒追蹤的塵土污染模擬，應用可視化仿真技術將顆粒運動過程顯現(xiàn)出來[1]。Yang等[2]針對五菱榮光底部結構進行空氣動力學分析，對擋泥板優(yōu)化設計和增加車身底部發(fā)動機蓋，減小整車氣動阻力和發(fā)動機遭受泥土污染的程度，驗證了數(shù)值計算方法對車身底部流場模擬的有效性。研究人員對商用車在低速行駛過程中路面揚塵污染的原因進行了研究，得出冷卻風扇導出的氣流沖擊地面激起塵土顆粒上揚是車輛產(chǎn)生揚塵污染的主要原因[3]。以上研究尚未對商用車冷卻風扇導出的氣流能產(chǎn)生揚塵的風速進行確定，也未提出塵土污染控制措施。基于此，重點對冷卻風扇導出的氣流吹向地面的風速進行控制來降低揚塵污染。首先通過揚塵模擬實驗和車底風速測試找到揚塵風速臨界點；然后利用CFD技術對商用車發(fā)動機艙流場進行分析，在保證散熱性能不惡化的情況下，提出了通過改變流場來降低車底風速的大小和減少揚塵顆粒數(shù)的方案，并對方案進行實驗驗證。

1 問題描述

某款新型國產(chǎn)商用車在行駛一段時間后，發(fā)動機艙內(nèi)部表面黏附有大量塵土，如圖1所示。商用車行駛過程中，冷卻風扇導出的氣流對路面泥土的擾動導致?lián)P塵，經(jīng)過泥土路面時易激起地面塵土，形成局部嚴重空氣污染。揚塵顆粒進入發(fā)動機艙內(nèi)部，造成散熱器阻塞，降低冷卻系統(tǒng)散熱效率[3]。另外，部分泥土顆粒會附著在汽車和發(fā)動機艙內(nèi)部價表面(例如護風圈、進氣管、車架、保險杠等)，不僅影響美觀，還會導致艙內(nèi)局部溫度過高。

圖1 發(fā)動機艙揚塵附著Fig.1 Dust attachment of engine compartment

2 實驗測試

通過把風扇與發(fā)動機直連，通過控制發(fā)動機的轉速來控制風扇轉速，在發(fā)動機艙下方鋪滿石灰粉來代替塵土，發(fā)動機轉速從700 r/min以100 r/min的增加，通過目測主觀判斷發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在1 300 r/min時，出現(xiàn)輕微的石灰揚起，如圖2所示。

圖2 風扇1 300 r/min揚塵模擬測試Fig.2 Fan 1 300 r/min dust simulation test

由圖2可知，在風扇轉速為1 300 r/min時可以產(chǎn)生揚塵，所以通過測出風扇在1 300 r/min時車底地面風速大小，就可以得知揚塵的風速臨界點。對發(fā)動機艙正下方(由散熱器至排氣口)的風速進行測試。在紙板畫出10 cm×10 cm的小方格，鋪至車正下方地面上，通過風速測速儀對每個方格的正中心進行風速測試，如圖3所示。

把測試的數(shù)據(jù)用Origin軟件形成云圖，如圖4所示，車底最大風速為6.75 m/s，風速最大區(qū)域約在油底殼的正下方。所以風速6.75 m/s為揚塵風速的臨界點。

圖3 風速測試Fig.3 Wind speed test

3 數(shù)值計算理論

3.1 湍流模型

商用車行駛時，馬赫數(shù)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。研究方法一般是采用雷諾時均的納維-斯托克斯(Navier-Stokes，N-S)方程。研究汽車表面塵土污染問題時，車身周圍的流場除了滿足連續(xù)性方程和N-S方程外，還必須滿足湍流模型方程[4]。為保證計算精度，選用Realizablek-ε模型，即湍流動能k方程和耗散率ε方程來求解發(fā)動機艙流場規(guī)律和分析塵土污染。

3.2 離散相動力學模型

汽車車身周圍流場中的塵土顆粒屬于多相流問題。對于顆粒相做如下假設：①所有顆粒均視為嚴格球體且具有相同的密度；②由于顆粒相在空氣中所占體積濃度比很低，視為離散相，不考慮顆粒間碰撞,但考慮顆粒和壁面的碰撞。因此可以采用離散相模型(discrete phase model，DPM)方法來描述和追蹤顆粒在汽車外流場中的遷移運動，用Euler方法描述空氣流場，對離散的顆粒物用Lagrange方法追蹤其運動軌跡[5]。對顆粒所受各種外力進行分析，可以使用下面的平衡方程預測顆粒的運動軌跡。

(1)

式(1)中：up為顆粒速度，m/s；u為氣相速度，m/s；u′為下一個位置的氣相速度；ρ為氣體密度kg/m3；ρp為顆粒密度，kg/m3；t為時間，s；gx為重力加速度，m/s2；Fx為顆粒的其他受力[6]；FD(u+u′-up)為單位質(zhì)量顆粒所受阻力，F(xiàn)D的計算式為

(2)

式(2)中：Re為相對雷諾數(shù)；μ為流體黏度，Pa·s；dp為顆粒直徑，μm；CD為曳力系數(shù)。

在汽車車身近壁，由流場速度梯度所引起的升力Fs，具體可描述為

(3)

4 計算物理模型

4.1 仿真模型與區(qū)域

由于商用車發(fā)動機艙內(nèi)部布置緊湊復雜，在保證反映發(fā)動機艙內(nèi)真實流動特性的前提下，對該車發(fā)動機艙內(nèi)部進行了適當簡化。去掉螺釘螺孔和一些細小管路線路以及填補一些孔洞[7]。 為使來流均勻以及尾流充分發(fā)展，計算域入口距離車身前端4倍車長(L)，出口距離車尾8倍車長，左右各2.5倍車寬(W)，總高度為4倍車高(H)。進口邊界條件為速度進口，出來邊界條件為壓力出口，湍流強度設為0.01，環(huán)境溫度為303 K。計算域如圖5所示。

4.2 網(wǎng)格劃分

將數(shù)模導入CFD軟件，采用貼體性好的四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格進行劃分[8]。由于空間區(qū)域較大，網(wǎng)格采取梯度漸進劃分方式，對發(fā)動機艙內(nèi)部進行網(wǎng)格加密，保證計算精度。風扇外表面網(wǎng)格精度設置為1 mm，散熱器、中冷器以及冷凝器外表面精度設置為4 mm，車架及駕駛室外表面網(wǎng)格精度分別設置為32、64 mm， 整個流場單元數(shù)為4 171萬，如圖6所示。從圖6可以看出，發(fā)動機艙網(wǎng)格明顯小于駕駛室外網(wǎng)格。

圖5 計算域Fig.5 Computing domain

圖6 車身網(wǎng)格Fig.6 Body mesh

4.3 DPM設置

DPM設置主要包括顆粒入射區(qū)域、顆粒屬性、初始參數(shù)等[9]。現(xiàn)主要研究商用車冷卻風扇旋轉所產(chǎn)生的流場對塵土的作用情況。塵土在路面上處于靜止狀態(tài)，所以將車身地面投影區(qū)域設置為顆粒入射口，初始速度為0，入射體積流率為6.451 6×10-6m2/s，最小粒徑為0.01 mm，最大粒徑為0.03 mm，平均直徑為0.02 mm。

4.4 邊界條件設置

由于塵土在車身表面黏附后受力復雜，需通過捕捉揚起揚塵顆粒數(shù)來判斷揚塵程度。因此整車都采用反射(reflect)邊界邊界條件，出口采用逃逸(escape)邊界來進行仿真模擬[10]。

5 仿真結果分析

5.1 原車狀態(tài)仿真分析

在風扇轉速為1 300 r/min，車輛駐車的工況下，計算3 000步達到穩(wěn)定。車底風速云圖如圖7所示。

圖7 風扇轉速為1 300 r/min車底風速Fig.7 Fan speed 1 300 r/min bottom wind speed

從圖7中看出，最大風速約為7 m/s，最大風速區(qū)域與測量結果基本一致，驗證了仿真模型的準確性。

考慮商用車在惡劣工況下行駛時，風扇轉速會比較偏高，將風扇轉速設置為2 100 r/min進行仿真，如圖8所示。通過圖8可以看出，氣流經(jīng)過風扇后，在風扇旋轉的帶動下氣流沿著發(fā)動機油底殼直接吹向地面，氣流會激起地面顆粒運動從而產(chǎn)生揚塵。對發(fā)動機艙和駕駛室車底風速進行捕捉，如圖9所示，最大風速達到13 m/s，足以吹起揚塵。對揚塵顆粒數(shù)進行捕捉，計算物理時間為5 s。通過計算，總共揚起顆粒數(shù)為2 332 485萬顆。

為了減少揚塵的顆粒數(shù)，首先就應該避免冷卻氣流直接吹向地面，減小車底風速大小，因此通過延長護風圈避免氣流直接吹向地面，并且增加導流板，對流場進行導流。

圖8 原車冷卻流場Fig.8 Original cooling flow field

圖9 原車吹地風速Fig.9 Wind speed of the original vehicle

5.2 優(yōu)化方案

5.2.1 延長護風圈

在原護風圈的基礎上延長護風圈長度，得到4種不同的護風圈。分別延長25、50、75、100 mm，延長方案如圖10所示。

圖10 延長護風圈Fig.10 Extended wind protection ring

車底風速云圖如圖11所示。通過對各方案的車底風速云圖進行對比，延長護風圈對于車底風速都有一定的降低，延長100 mm時車底最大風速反而增大，延長50 mm和延長75 mm車底最大風速相差不大，但延長50 mm的車底平均風速比延長75 mm的低。

圖11 延長護風圈吹地風速Fig.11 Extend the wind speed of the wind guard ring

對散熱器的進風溫度、質(zhì)量流率以及揚起顆粒數(shù)進行比較，如表1所示。根據(jù)表1得知：延長護風圈75 mm和100 mm時，進風溫度有所升高，而且質(zhì)量流率急劇降低。因為護風圈太長會導致護風圈內(nèi)產(chǎn)生渦流擾動，從而導致進氣阻力和熱風回流[11]。所以根據(jù)進風溫度、質(zhì)量流率和揚起顆粒數(shù)綜合考慮，延長護風圈50 mm最合適。

表1 延長護風圈散熱性能和揚起顆粒數(shù)對比Table 1 Comparison of heat dissipation performance and lifting particle number of extended wind protection ring

對延長護風圈50 mm的冷卻流場進行分析，如圖12所示，油底殼正面和左側依然有一部分流場吹向地面，所以通過增加導流板來進行導流，避免吹向地面。

圖12 延長護風圈50 mm流場圖Fig.12 Extended 50 mm flow field diagram of wind protection ring

5.2.2 加導流板

通過對流場分析，冷卻氣流主要通過沿著油底殼正面和左側吹向地面，所以只需在油底殼增加導流板讓冷卻氣流吹向車后，避免與地面接觸。為了避免增加導流板后產(chǎn)生熱風回流，對板進行分析，分析3種不同角度的導流板，即0°、10°、和-10°。導流板位置如圖13(a)所示，視圖是從車底往上看，可以看出導流板對發(fā)動機油底殼的前端和右端進行導流。導流板的角度如圖13(b)、圖13(c)、圖13(d)所示。

圖13 增加導流板Fig.13 Increase the guide plate

對加導流板后的吹地風速云圖跟原車相比，風速都有很明顯的減小，說明加導流板對于控制車底風速是有效的，如圖14所示。通過表2可知，散熱器進風溫度、質(zhì)量流率三者方案基本沒有多大的影響，而加10°導流板的揚塵顆粒數(shù)最少，所以加角度為10°的導流板最為合適。

圖14 增加導流板吹地風速Fig.14 Increase the wind speed of guide plate blowing ground

方案進風溫度/℃質(zhì)量流率/(kg·s-1)揚起顆粒數(shù)原車46.304.3723 324 850 0000°導流板47.694.3210 504 870 00010°導流板47.164.349 300 760 000-10°導流板47.544.3311 572 740 000

5.2.3 綜合方案仿真

通過上文的分析，對原車護風圈延長50 mm，并增加角度為10°的導流板，并對其仿真，車底風速云圖如圖15所示，散熱特性如表3所示。

圖15 綜合方案車底風速Fig.15 Integrated scheme bottom wind speed

方案進風溫度/℃質(zhì)量流率/(kg·s-1)揚起顆粒數(shù)原車46.304.3723 324 850 000綜合方案46.834.416 504 870 000

通過圖15可以看出，車底風速跟原車相比已經(jīng)有很明顯的改善，車底風速已經(jīng)全部在臨界點以下。由表3可以看出，優(yōu)化后的方案對散熱性能影響不大，但揚塵顆粒數(shù)減少了75%，可以說明對揚塵的控制有明顯的改善。

6 實驗驗證

在原車上延長護風圈以及增加10°的導流板，如圖16所示，在風扇轉速為1 700 r/min時進行工地實際路況測試，選擇塵土較厚的路面。

通過圖17可以看出，原車被冷卻氣流激起的揚塵十分明顯，通過優(yōu)化后發(fā)動機艙車底下?lián)P塵得到明顯改善。

圖16 實車優(yōu)化改裝Fig.16 Optimization and modification of real vehicle

圖17 實際路況測試Fig.17 Actual road condition test

7 結論

(1)控制風扇轉速依次增加，直到能產(chǎn)生揚塵，然后對這一轉速下的車底地面風速進行測試，以最大風速作為揚塵臨界點。

(2)模型仿真計算得到了商用車發(fā)動機艙的流場、車底風速以及揚塵顆粒數(shù)，車底風速與實測值基本一致。在保證散熱性能的前提下，通過延長護風圈和增加導流板來改變流場達到降低車底風速的目的。

(3)對延長護風圈的長度和導流板的角度進行了分析，得出延長護風圈50 mm和導流板的角度為10°時對風速控制最明顯，而且還保證了散熱性能。