某重型卡車車身側面泥水飛濺污染的研究與控制

摘 要：針對某重型卡車車身側面泥水飛濺污染的問題，建立其空氣動力學仿真模型，采用外流場耦合液相的方法開展了仿真分析。根據原車的污染情況及流場特點提出了優化包角板擾流結構、增加輪眉及優化前保結構三個優化方案。仿真結果表明：三個優化方案均能有效的改善駕駛室側面污染。并對優化方案進行了試驗驗證，增加輪眉方案可有效的改善駕駛室側面及關鍵的門把手區域的污染。本研究為該車型防污性能的提升及新車型的開發提供了重要參考。

關鍵詞：卡車車身；汽車外流場；泥水飛濺污染；仿真分析

中圖分類號：U472 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2024）04-0063-05

Study and Control of Mud-Water Splashing Pollution on The Side of Truck Cab

LI Guang-sheng， LI Cheng， LI Jun， XU Cheng

（ Dongfeng Liu Zhou Motor Co.， Ltd， Liuzhou 545005， China）

Abstract： Aiming at the problem of mud splashing pollution on the side of the cab of a heavy truck， an aerodynamic simulation model was established and the simulation analysis was carried out using the method of coupling the outflow field with the liquid phase. According to the pollution condition of the original car and the characteristics of the flow field， three optimization schemes were put forward： optimizing the turbulence structure of the corner plate， adding the wheel eyebrow and optimizing the front protection structure.The simulation results show that the three optimization schemes can effectively improve the cab side pollution.The optimization scheme is verified by experiments， adding wheel eyebrow scheme can effectively improve the pollution of cab side and key door handle area.This study provides an important reference for the improvement of anti-pollution performance of this vehicle and the development of new vehicles.

Key Words： Truck Cab; Auto Mobile Outflow Field; Mud-Water Splashing Pollution; Simulation Analysis

前 言

重型卡車具有體型大、使用工況差、部件間相對位移大等特點，車輪高速碾壓路面泥水形成水霧，車輪的高速旋轉將水霧甩起撞擊擋泥板、輪罩后破碎成尺寸更小的水霧，水霧粘附到車身表面，污染車身側面及門把手，影響上下車便利性及外觀清潔度[1]。經過調查及對比，重型卡車車身側圍及門把手泥水污染在行業內是一個普遍現象，如果泥水甩起后飛濺到側窗、后視鏡等位置，甚至會影響到行車安全，如圖1：

由于重卡泥水污染的產生機理較為復雜，涉及到液滴的飛濺、破碎及附著等多種因素。如何解決車身側圍及門把手區域污染一直是行業內的一個難題。辛俐等人[2-3]采用DPM離散相和歐拉液膜模型相結合的方法，對方背式MIRA模型的車輪濺水污染問題進行了研究，得到了車輪濺水導致的車身表面污染分布云圖，分析了車身的污染機理，并對車身外形進行改進，一定程度改善了車身污染問題。A.Kabanovs等人[4]利用Spalart-Allmaras模型和歐拉-拉格朗日方法（DPM）相結合的方案，模擬了車輪濺水對車身表面的污染過程，發現完全非定常仿真方法與風洞實驗的結果較為吻合。

本文針對某重型卡車身側面的泥水污染問題，采用流體分析軟件進行外流場穩態仿真，再將流場仿真結果及模型導入水管理分析軟件進行液相瞬態耦合分析，通過仿真復現了污染表現，并進而對該車型的車身污染問題進行了優化。經社會道路實車試驗驗證，優化方案有效的改善了該車型的車身污染。研究成果不僅為該車車身表面污染問題的整改提供了行之有效的解決方案，同時也為新車型如何提高車身防污性能提供參考。

1 模型建立及邊界條件

1.1 外流場模型建立

首先建立整車外流場模型，包含車身、車輪、后視鏡及其他覆蓋件的1：1幾何模型。由于輪胎花紋對車輪泥水飛濺的結果有較大的影響，故在模型簡化處理的過程中，輪胎需保留其花紋。建立外流場計算域，入口距車前端３倍車長，出口距車后端5倍車長，寬為７倍車寬，高為５倍車高，如圖2所示。這部分工作可以與風阻優化等工作一并完成。

1.2 湍流模型及邊界設置

（1）車身外流場的準確求解很大程度上決定了污染仿真結果的精度。SST k-ω模型綜合了k-ω模型和k-ε模型的優點，通過混合函數實現近壁區等價于k-ω模型，而在遠離壁面區域轉換為k-ε模型。該模型對于邊界層的分離現象預測比較準確，在汽車外流場的仿真中有著突出的表現，并且經過多年工程應用，也有了較大改進和發展[5-6]。因此，本文選用SST k-ω來求解流場中的湍流流動。

（2） 外流場入口邊界設為速度入口，其值為90km/h；出口邊界設為壓力出口，壓力值為0Pa；地面為移動邊界，移動速度與車速一致；輪胎壁面設成局部旋轉壁面，根據車速及輪胎滾動半徑計算出輪胎旋轉角速度為48.5r/s；其他壁面均設為滑移邊界。

（3）基于外流場穩態計算的結果，在水管理軟件中耦合外流場計算結果，設置設水池長度為70米，路面積水層厚度設置為30mm，液滴顆粒直徑為5mm，采用隱式算法求解液相在駕駛室側面的附著情況。

1.3 評價標準

目前，國內外商用車車身泥水飛濺污染還沒有相對成熟的評價標準[7]。無論是開發前期的性能分解，還是實車階段的測試評價，都難以進行量化的判斷。本文首先將駕駛室側面進行區域的劃分，分為關鍵區域和非關鍵區域。其中后視鏡、車窗和門把手等3個區域對駕駛員行車安全及上、下車便利性影響較大，故定義為關鍵區域；除此之外的車門、側圍、側導流罩、車門護板、翼子板、上車踏板等僅影響車輛美觀度的區域，定義為非關鍵區域。同時為了便于后續的對比，對部分面積較大的區域做了進一步的細分，最終共分為9個區域，如圖3所示。通過監控和對比各個區域內受污染的面積占該區域總面積的百分比，來衡量對應區域的受污染程度，進而給出不同設計方案的優劣性判斷。

2 原車仿真分析及驗證

2.1 原車仿真結果分析

從原車的外流場分析結果可以清晰的發現該車型存在較明顯的車身污染風險。如圖4展示的壓力等值面示意圖顯示，車身的兩側的負壓區域較大，可以判斷氣流流過前臉邊緣時流動分離較為明顯，無法較好的利用車身兩側的高速氣流壓制車輪甩起的泥水污染物。如圖5展示的車身側面污染物軌跡示意圖顯示，該車型駕駛室側面泥水污染較嚴重，除污染了門把手關鍵區域外，車門護板、翼子板、腳踏板、側圍、側導流罩均被泥水嚴重污染。

2.2 實車測試驗證

為了驗證仿真分析的精度，選擇一輛與仿真模型配置、布置完全一致的車輛，雨后在較為平直且臟污的城市外環道路上開展測試驗證。車輛以80km/h的車速勻速行駛約2個小時，測試完成待水漬干透后拍照記錄。原車污染軌跡測試結果如圖6所示：

當前的測量方法雖然難以對泥水污染結果進行量化，但可以直觀的展示出駕駛室側面的污染區域，并通過顏色的深淺對污染程度做出主觀判斷。通過對比圖5和圖6，仿真與試驗結果在駕駛室側面污染物分布情況一致性較高，各區域的污染程度也基本相當，認為仿真精度滿足工程化應用要求。

3 優化方案仿真分析及驗證

3.1 優化方案

從實車測試結果可以看出，關鍵區域后視鏡和車窗位置未被污染，有效的保證了駕駛員的行車安全。但是關鍵區域門把手位置已被泥水污染覆蓋。而且車門護板、翼子板及側圍等非關鍵區域也有較明顯污染。將會嚴重影響駕駛員上、下車便利性及車輛的美觀度，該車的防污性能仍有較大的改善空間。

本文基于污染產生的機理，從氣流疏導及污染物遮擋兩個維度分別制定了優化包角板、增加輪眉、優化前保造型等三個優化措施。

（1）優化包角板

優化包角板方案主要是增加包角板擾流板的長度及進風口寬度、增加擾流板的片數、減小擾流板的厚度，旨在優化包角板出風的流向及增大出風速度。方案如表1及圖7所示：

（2）增加輪眉

增加輪眉則是在翼子板邊緣增加外突寬度為30mm的輪眉，通過增加左右方向的尺寸來遮擋車輪甩起的泥水污染物。方案如圖8所示。

（3）優化前保造型

優化前保造型方案則是去掉前保兩側車燈附近的凹坑造型，采用平滑過渡曲面進行覆蓋，改變流過前保邊緣的氣流導向，減少駕駛室側面的流動分離。方案如圖8所示：

3.2 優化方案泥水飛濺污染仿真結果分析

如圖9原車與各優化方案污染軌跡對比、表2各方案各區域污染面積百分百統計所示，3個優化方案對車身側面的污染均有一定程度的改善。具體情況如下：

（1）總體效果優化前保造型方案效果最優，增加輪眉方案次之。

（2）門把手區域的污染在增加輪眉及優化前保造型兩個方案上均有了較大的改善，門把手的污染百分比從原車的7.2%下降至1.1%和2.5%。

（3）優化前保造型方案在車門及護板、側圍及側導流罩區域污染區域面積及污染程度上均有了較大的改善。

3.3 測試驗證

由于從駕駛員最關心的門把手區域的污染改善效果出發，增加輪眉方案更優。且另外2個方案設計更改涉及到包角板、前保、燈具的模具更改，需較高的時間及經濟投入，因此本文最終選擇了增加輪眉方案作為該車的優化措施，并試制樣件進行裝車試驗。

為了確保在相同測試條件下完成測試驗證，在車輛的左側加裝輪眉，右側保持原車狀態。同樣選擇首次試驗時的測試路段進行測試對比。由于天氣條件影響，本次試驗最終污染程度不及首次試驗。但通過左右兩側的污染軌跡對比，足以識別出增加輪眉結構對改善車門、門把手、側圍及翼子板區域的泥水污染效果明顯。其中圖10為右側車身（未加裝輪眉）的污染情況，圖11為左側車身（加裝輪眉）的污染情況。

4 結論

（1）本文通過對某重型卡車的整車外流場及泥水飛濺污染情況進行仿真分析，識別出存在的泥水飛濺污染風險。并通過實車測試，證實了仿真分析的結論。驗證了仿真分析方法及分析精度能夠滿足工程應用需求；

（2）根據原車的流場特點提出的優化包角板、增加輪眉和優化前保造型等三個優化措施，通過仿真確認方案對駕駛室側面污染均有一定程度的改善。其中，增加輪眉對改善門把手關鍵區域的污染效果明顯，前保優化方案在車門及護板、側圍及側導流罩區域污染區域面積及污染程度上均有了較大的改善。并最終綜合實施便利性選擇增加輪眉方案進行了實車驗證，證實了改善效果。

（3）本研究為重型卡車的車身防污性能的提升及新車型的開發提供了參考。

參考文獻：

[1]羅雪香，許哲，李宏鋒. 城市客車行駛狀態車身表面污染仿真與優化[J]. 客車技術與研究. 2022，28（5）：10（6）.

[2]殷碩，陳煥明，王亞倫. 基于車輪飛濺的轎車車身污染模擬及控制[J]. 青島大學學報 （工程技術版）. 2021，16（4），79-86.

[3]辛俐，蘭巍，劉江等. 汽車涉水車身表面污染仿真及控制[J]. 吉 林 大 學 學 報 （ 工學版 ），2019，49（6）：1787-1788.

[4]Kabanovs A， Garmory A， Passmore M， et al. Computational simulation of unsteady flow field and spray impingement on a simplified automotive geometry[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2017， 171（2）： 178-195.

[5]王靖宇，于旭濤，胡興軍等 . 汽車外后視鏡流致振特性及其流動機理[J]. 吉林大學學報：工學版，2017，47（6）：1669-1676.

[6]廖磊.車輪濺水及其對車身表面污染的仿真研究[Ｄ].長春：吉林大學，2014．

[7]劉暢，劉方，安忠柱. 空氣動力學在重型載貨汽車上的新進展[J]. 拖拉機與農用運輸車，2007，34（5），2-3.

栗廣生

畢業于廣西科技大學，研究生學歷。現就職于東風柳州汽車有限公司商用車技術中心，任設計師，主要從事整車性能集成開發和CAE虛擬仿真研究工作，已發表論文及授權發明專利十余項。

專家推薦語

周菊紅

東風商用車技術中心

車身設計總師 研究員級高級工程師

重型卡車開發過程中經常遇到車身側面泥水飛濺污染的問題，由于該問題產生機理復雜，解決起來往往耗費較多的工時，周期比較長，本文借助外流場仿真分析手段，對比出了三個改善方案的優化效果，又采用了與試驗測試相結合的方式，驗證出改善卡車側面防污染，具有很好的借鑒和推廣價值。