工程車輛輪蝸流場數值模擬及抑塵式擋泥板優化設計

王霞

摘要：工程車輛揚塵是道路揚塵的重要成因之一。本文使用 Fluent 軟件對工程車輛驅動輪輪窩處的空氣流動狀態進行數值仿真，構建了流場數值模擬的湍流模型，采用動網格技術模擬三維流場，獲得了車輛尾部和側面氣流流動狀況對揚塵的影響規律。并根據輪窩處的流場特點優化設計了具有抑塵作用的擋泥板。

關鍵詞：Fluent;動網格;輪窩;抑塵板;優化設計

0 ?引言

工程車輛在城市道路揚塵中占有重要的比例，根據北京城區的測試數據分析得出，汽車道路揚塵造成的PM10 占大氣PM10總量的30%[1]。相關研究表明機動車行駛過程中路面二次揚塵約占城區內PM10總量的30～50%[2-4]，而工程車輛造成的揚塵尤為明顯，治理工程車輛的揚塵日益受到重視。

工程車輛運行時輪胎與地面滾動過程中，由于輪胎和地面存在灰塵，車輛行駛產生的氣體流動及輪胎花紋內空腔的擠壓變形產生氣爆最終造成滾動揚塵，滾動揚塵是工程車輛揚塵的重要因素。

本文對工程車輛行駛過程中驅動輪輪窩處的氣體流場為研究對象，采用湍流模型和氣固二相流數值模擬分析方法，探索工程車輛驅動輪輪窩內外速度場壓力場的變化規律。車輛擋泥板具有控制車輪沿圓周方向向外甩液態或固態物的作用，同時也可因其結構的變化改變輪窩處的流場狀態，控制和抑制灰塵揚起的數量和方向。根據輪窩處的流暢規律設計可調節半封閉式的擋泥板，并在其內側加裝了毛刷，極大地衰減了灰塵的動能，起到了降低工程車輛滾動揚塵的效果。

1 ?工程車輛輪窩處的氣體流動狀態分析

車輛的輪窩有擋泥板及內側擋板組成，通過整車數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動的規律?，F有的工程車輛輪窩有兩種形狀，分別是梯形擋泥板構成的梯形輪窩（圖1）和圓弧形擋泥板構成的弧形輪窩（圖2）。本文以梯形輪窩結構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軟件進行網格化，然后用FLUENT軟件構建湍流分析模型，研究基于工程車輛行駛狀態的動網格分析方法。以某商用車參數為例建立三維模型及參數化關聯尺寸，其參數為：氣相為空氣，固相為直徑0.01mm的顆粒物，密度為1200Kg/m3，車輪與氣流的相對速度為10m/s，設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模型，輪胎三維模型采用CREO軟件進行建模，然后導入ansys軟件的DM模塊中，在DM模塊中建立擋泥板的參數化模型[5-6]。

1.2 輪窩流場的三維仿真分析

根據分析精度要求，設置各個參數殘差控制參數，并進行流場域初始化，初始化后設置計算步數和步長等參數，檢查模型并提交進行運算，通過數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，空氣流線流經輪胎和擋泥板之后，流線之間會有交叉，氣流流經擋泥板上部后，會折彎向下流動，流經底部和側面的氣流會向上流動，上部、下部氣流之間會相互影響。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角的位置，速度會發生加速，在擋泥板的內部的兩個拐角處，會有湍流場出現，發生了旋渦，在擋泥板的外側后部也會發生旋渦。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，在擋泥板的上部兩個拐角處，壓力梯度變化較大，在擋泥板的內部，在輪胎上部和擋泥板的后部壓力較大，氣流流經擋泥板后，與輪胎的后部區域，壓力相對較小，擋泥板的上部后方，壓力較小。

圖8中可以看出，在矩形輪窩內空氣的流動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。在輪窩內表面與車輪距離最近處，氣流速度有增加，氣流經過輪窩后會沖向地面并向后延伸造成劇烈揚塵，利用擴壓原理延長輪窩后部尺寸，降低氣流速率有利于改善揚塵。

截面速度流線圖如圖9所示，空氣流經輪胎和擋泥板后，速度方向會發生變化，尤其在接近地面區域變化較大，在擋泥板的內側前部和外部后側各有一個渦流區域。

2 ?抑塵式擋泥板的設計

2.1 設計思路

2.1.1 輪窩改進措施

通過數值模擬可知：輪窩內垂直于路面的速度梯度的劇烈變化及空氣的擾動作用，帶動顆粒物揚起并碰撞，然后從輪窩兩側及后方溢出，向低壓區域運動與遷移造成揚塵。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如圖12，帶動殘留在輪胎表面的顆粒物向后擋泥板堆積，同時起到清理輪胎表面減少輪窩前部的揚塵作用。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，可有效地降低揚塵。

2.1.2 減少輪窩內氣流向外流動的通道面積

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

2.1.3 輪窩內加裝抑塵板

為降低輪窩內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，采用表面設置毛刷的抑塵板，含有顆粒物的氣流進入毛刷區域動能將大幅度衰減，在慣性力作用下部分空氣與顆粒物分離存儲在抑塵板內（后期沖洗掉），其他顆物將順毛刷表面向下滑移降低了揚起的能量。在輪窩內表面全部加裝抑塵板，通過模擬實驗抑塵效果明顯。

2.2 抑塵式擋泥板的結構設計

抑塵式擋泥板各組成部分的結構設計與總成裝配采用三維建模設計軟件SolidWorks來完成。整體結構采用組合裝配結式構如圖13所示。主要有五部分組成：上擋板、前擋板、后擋板及車輪內外側擋板。上擋板為基礎構建，設有與車架連接的螺栓孔和與其它各擋板或構建鏈接孔，后擋板與上擋板采用彈性連接裝置，當受到障礙物碰撞時會向上抬起避免構件損壞，輪胎兩側護板采用螺栓鏈接便于拆卸，所有構建沿輪窩內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計成型，并通過上擋板前后預留8個螺栓孔，與車架緊固連接。后擋泥板總成采用彈性連接裝置，當受到障礙物碰撞時會向上抬起避免構件損壞。

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

參考文獻：

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