商用车车身底部尘土污染分析及优化

唐荣江, 张 淼, 胡宾飞, 王青青

(桂林电子科技大学机电工程学院，桂林 541004)

随着城市化进程加快，交通网络日益繁荣，机动车二次扬尘已成为城市扬尘的重要来源。北方城市空气中总悬浮颗粒物(total suspended particulate,TSP)污染的贡献率已达20%以上，尤其是商用车工作环境比较恶劣，路面泥土、积尘较多，容易导致扬尘。所以尘土污染问题近几年引起了足够的重视。

研究人员利用计算流体动力学(computational fluid dynamics，CFD)软件对某轿车进行了基于颗粒追踪的尘土污染模拟，应用可视化仿真技术将颗粒运动过程显现出来[1]。Yang等[2]针对五菱荣光底部结构进行空气动力学分析，对挡泥板优化设计和增加车身底部发动机盖，减小整车气动阻力和发动机遭受泥土污染的程度，验证了数值计算方法对车身底部流场模拟的有效性。研究人员对商用车在低速行驶过程中路面扬尘污染的原因进行了研究，得出冷却风扇导出的气流冲击地面激起尘土颗粒上扬是车辆产生扬尘污染的主要原因[3]。以上研究尚未对商用车冷却风扇导出的气流能产生扬尘的风速进行确定，也未提出尘土污染控制措施。基于此，重点对冷却风扇导出的气流吹向地面的风速进行控制来降低扬尘污染。首先通过扬尘模拟实验和车底风速测试找到扬尘风速临界点；然后利用CFD技术对商用车发动机舱流场进行分析，在保证散热性能不恶化的情况下，提出了通过改变流场来降低车底风速的大小和减少扬尘颗粒数的方案，并对方案进行实验验证。

1 问题描述

某款新型国产商用车在行驶一段时间后，发动机舱内部表面黏附有大量尘土，如图1所示。商用车行驶过程中，冷却风扇导出的气流对路面泥土的扰动导致扬尘，经过泥土路面时易激起地面尘土，形成局部严重空气污染。扬尘颗粒进入发动机舱内部，造成散热器阻塞，降低冷却系统散热效率[3]。另外，部分泥土颗粒会附着在汽车和发动机舱内部价表面(例如护风圈、进气管、车架、保险杠等)，不仅影响美观，还会导致舱内局部温度过高。

图1 发动机舱扬尘附着Fig.1 Dust attachment of engine compartment

2 实验测试

通过把风扇与发动机直连，通过控制发动机的转速来控制风扇转速，在发动机舱下方铺满石灰粉来代替尘土，发动机转速从700 r/min以100 r/min的增加，通过目测主观判断发现发动机在1 300 r/min时，出现轻微的石灰扬起，如图2所示。

图2 风扇1 300 r/min扬尘模拟测试Fig.2 Fan 1 300 r/min dust simulation test

由图2可知，在风扇转速为1 300 r/min时可以产生扬尘，所以通过测出风扇在1 300 r/min时车底地面风速大小，就可以得知扬尘的风速临界点。对发动机舱正下方(由散热器至排气口)的风速进行测试。在纸板画出10 cm×10 cm的小方格，铺至车正下方地面上，通过风速测速仪对每个方格的正中心进行风速测试，如图3所示。

把测试的数据用Origin软件形成云图，如图4所示，车底最大风速为6.75 m/s，风速最大区域约在油底壳的正下方。所以风速6.75 m/s为扬尘风速的临界点。

图3 风速测试Fig.3 Wind speed test

3 数值计算理论

3.1 湍流模型

商用车行驶时，马赫数一般小于0.3，车辆周围空气可看作密度不变的不可压缩气体。研究方法一般是采用雷诺时均的纳维-斯托克斯(Navier-Stokes，N-S)方程。研究汽车表面尘土污染问题时，车身周围的流场除了满足连续性方程和N-S方程外，还必须满足湍流模型方程[4]。为保证计算精度，选用Realizablek-ε模型，即湍流动能k方程和耗散率ε方程来求解发动机舱流场规律和分析尘土污染。

3.2 离散相动力学模型

汽车车身周围流场中的尘土颗粒属于多相流问题。对于颗粒相做如下假设：①所有颗粒均视为严格球体且具有相同的密度；②由于颗粒相在空气中所占体积浓度比很低，视为离散相，不考虑颗粒间碰撞,但考虑颗粒和壁面的碰撞。因此可以采用离散相模型(discrete phase model，DPM)方法来描述和追踪颗粒在汽车外流场中的迁移运动，用Euler方法描述空气流场，对离散的颗粒物用Lagrange方法追踪其运动轨迹[5]。对颗粒所受各种外力进行分析，可以使用下面的平衡方程预测颗粒的运动轨迹。

(1)

式(1)中：up为颗粒速度，m/s；u为气相速度，m/s；u′为下一个位置的气相速度；ρ为气体密度kg/m3；ρp为颗粒密度，kg/m3；t为时间，s；gx为重力加速度，m/s2；Fx为颗粒的其他受力[6]；FD(u+u′-up)为单位质量颗粒所受阻力，FD的计算式为

(2)

式(2)中：Re为相对雷诺数；μ为流体黏度，Pa·s；dp为颗粒直径，μm；CD为曳力系数。

在汽车车身近壁，由流场速度梯度所引起的升力Fs，具体可描述为

(3)

4 计算物理模型

4.1 仿真模型与区域

由于商用车发动机舱内部布置紧凑复杂，在保证反映发动机舱内真实流动特性的前提下，对该车发动机舱内部进行了适当简化。去掉螺钉螺孔和一些细小管路线路以及填补一些孔洞[7]。 为使来流均匀以及尾流充分发展，计算域入口距离车身前端4倍车长(L)，出口距离车尾8倍车长，左右各2.5倍车宽(W)，总高度为4倍车高(H)。进口边界条件为速度进口，出来边界条件为压力出口，湍流强度设为0.01，环境温度为303 K。计算域如图5所示。

4.2 网格划分

将数模导入CFD软件，采用贴体性好的四面体网格和六面体网格进行划分[8]。由于空间区域较大，网格采取梯度渐进划分方式，对发动机舱内部进行网格加密，保证计算精度。风扇外表面网格精度设置为1 mm，散热器、中冷器以及冷凝器外表面精度设置为4 mm，车架及驾驶室外表面网格精度分别设置为32、64 mm， 整个流场单元数为4 171万，如图6所示。从图6可以看出，发动机舱网格明显小于驾驶室外网格。

图5 计算域Fig.5 Computing domain

图6 车身网格Fig.6 Body mesh

4.3 DPM设置

DPM设置主要包括颗粒入射区域、颗粒属性、初始参数等[9]。现主要研究商用车冷却风扇旋转所产生的流场对尘土的作用情况。尘土在路面上处于静止状态，所以将车身地面投影区域设置为颗粒入射口，初始速度为0，入射体积流率为6.451 6×10-6m2/s，最小粒径为0.01 mm，最大粒径为0.03 mm，平均直径为0.02 mm。

4.4 边界条件设置

由于尘土在车身表面黏附后受力复杂，需通过捕捉扬起扬尘颗粒数来判断扬尘程度。因此整车都采用反射(reflect)边界边界条件，出口采用逃逸(escape)边界来进行仿真模拟[10]。

5 仿真结果分析

5.1 原车状态仿真分析

在风扇转速为1 300 r/min，车辆驻车的工况下，计算3 000步达到稳定。车底风速云图如图7所示。

图7 风扇转速为1 300 r/min车底风速Fig.7 Fan speed 1 300 r/min bottom wind speed

从图7中看出，最大风速约为7 m/s，最大风速区域与测量结果基本一致，验证了仿真模型的准确性。

考虑商用车在恶劣工况下行驶时，风扇转速会比较偏高，将风扇转速设置为2 100 r/min进行仿真，如图8所示。通过图8可以看出，气流经过风扇后，在风扇旋转的带动下气流沿着发动机油底壳直接吹向地面，气流会激起地面颗粒运动从而产生扬尘。对发动机舱和驾驶室车底风速进行捕捉，如图9所示，最大风速达到13 m/s，足以吹起扬尘。对扬尘颗粒数进行捕捉，计算物理时间为5 s。通过计算，总共扬起颗粒数为2 332 485万颗。

为了减少扬尘的颗粒数，首先就应该避免冷却气流直接吹向地面，减小车底风速大小，因此通过延长护风圈避免气流直接吹向地面，并且增加导流板，对流场进行导流。

图8 原车冷却流场Fig.8 Original cooling flow field

图9 原车吹地风速Fig.9 Wind speed of the original vehicle

5.2 优化方案

5.2.1 延长护风圈

在原护风圈的基础上延长护风圈长度，得到4种不同的护风圈。分别延长25、50、75、100 mm，延长方案如图10所示。

图10 延长护风圈Fig.10 Extended wind protection ring

车底风速云图如图11所示。通过对各方案的车底风速云图进行对比，延长护风圈对于车底风速都有一定的降低，延长100 mm时车底最大风速反而增大，延长50 mm和延长75 mm车底最大风速相差不大，但延长50 mm的车底平均风速比延长75 mm的低。

图11 延长护风圈吹地风速Fig.11 Extend the wind speed of the wind guard ring

对散热器的进风温度、质量流率以及扬起颗粒数进行比较，如表1所示。根据表1得知：延长护风圈75 mm和100 mm时，进风温度有所升高，而且质量流率急剧降低。因为护风圈太长会导致护风圈内产生涡流扰动，从而导致进气阻力和热风回流[11]。所以根据进风温度、质量流率和扬起颗粒数综合考虑，延长护风圈50 mm最合适。

表1 延长护风圈散热性能和扬起颗粒数对比Table 1 Comparison of heat dissipation performance and lifting particle number of extended wind protection ring

对延长护风圈50 mm的冷却流场进行分析，如图12所示，油底壳正面和左侧依然有一部分流场吹向地面，所以通过增加导流板来进行导流，避免吹向地面。

图12 延长护风圈50 mm流场图Fig.12 Extended 50 mm flow field diagram of wind protection ring

5.2.2 加导流板

通过对流场分析，冷却气流主要通过沿着油底壳正面和左侧吹向地面，所以只需在油底壳增加导流板让冷却气流吹向车后，避免与地面接触。为了避免增加导流板后产生热风回流，对板进行分析，分析3种不同角度的导流板，即0°、10°、和-10°。导流板位置如图13(a)所示，视图是从车底往上看，可以看出导流板对发动机油底壳的前端和右端进行导流。导流板的角度如图13(b)、图13(c)、图13(d)所示。

图13 增加导流板Fig.13 Increase the guide plate

对加导流板后的吹地风速云图跟原车相比，风速都有很明显的减小，说明加导流板对于控制车底风速是有效的，如图14所示。通过表2可知，散热器进风温度、质量流率三者方案基本没有多大的影响，而加10°导流板的扬尘颗粒数最少，所以加角度为10°的导流板最为合适。

图14 增加导流板吹地风速Fig.14 Increase the wind speed of guide plate blowing ground

方案进风温度/℃质量流率/(kg·s-1)扬起颗粒数原车46.304.3723 324 850 0000°导流板47.694.3210 504 870 00010°导流板47.164.349 300 760 000-10°导流板47.544.3311 572 740 000

5.2.3 综合方案仿真

通过上文的分析，对原车护风圈延长50 mm，并增加角度为10°的导流板，并对其仿真，车底风速云图如图15所示，散热特性如表3所示。

图15 综合方案车底风速Fig.15 Integrated scheme bottom wind speed

方案进风温度/℃质量流率/(kg·s-1)扬起颗粒数原车46.304.3723 324 850 000综合方案46.834.416 504 870 000

通过图15可以看出，车底风速跟原车相比已经有很明显的改善，车底风速已经全部在临界点以下。由表3可以看出，优化后的方案对散热性能影响不大，但扬尘颗粒数减少了75%，可以说明对扬尘的控制有明显的改善。

6 实验验证

在原车上延长护风圈以及增加10°的导流板，如图16所示，在风扇转速为1 700 r/min时进行工地实际路况测试，选择尘土较厚的路面。

通过图17可以看出，原车被冷却气流激起的扬尘十分明显，通过优化后发动机舱车底下扬尘得到明显改善。

图16 实车优化改装Fig.16 Optimization and modification of real vehicle

图17 实际路况测试Fig.17 Actual road condition test

7 结论

(1)控制风扇转速依次增加，直到能产生扬尘，然后对这一转速下的车底地面风速进行测试，以最大风速作为扬尘临界点。

(2)模型仿真计算得到了商用车发动机舱的流场、车底风速以及扬尘颗粒数，车底风速与实测值基本一致。在保证散热性能的前提下，通过延长护风圈和增加导流板来改变流场达到降低车底风速的目的。

(3)对延长护风圈的长度和导流板的角度进行了分析，得出延长护风圈50 mm和导流板的角度为10°时对风速控制最明显，而且还保证了散热性能。