工程车辆轮蜗流场数值模拟及抑尘式挡泥板优化设计

王霞

摘要：工程车辆扬尘是道路扬尘的重要成因之一。本文使用 Fluent 软件对工程车辆驱动轮轮窝处的空气流动状态进行数值仿真，构建了流场数值模拟的湍流模型，采用动网格技术模拟三维流场，获得了车辆尾部和侧面气流流动状况对扬尘的影响规律。并根据轮窝处的流场特点优化设计了具有抑尘作用的挡泥板。

关键词：Fluent;动网格;轮窝;抑尘板;优化设计

0  引言

工程车辆在城市道路扬尘中占有重要的比例，根据北京城区的测试数据分析得出，汽车道路扬尘造成的PM10 占大气PM10总量的30%[1]。相关研究表明机动车行驶过程中路面二次扬尘约占城区内PM10总量的30～50%[2-4]，而工程车辆造成的扬尘尤为明显，治理工程车辆的扬尘日益受到重视。

工程车辆运行时轮胎与地面滚动过程中，由于轮胎和地面存在灰尘，车辆行驶产生的气体流动及轮胎花纹内空腔的挤压变形产生气爆最终造成滚动扬尘，滚动扬尘是工程车辆扬尘的重要因素。

本文对工程车辆行驶过程中驱动轮轮窝处的气体流场为研究对象，采用湍流模型和气固二相流数值模拟分析方法，探索工程车辆驱动轮轮窝内外速度场压力场的变化规律。车辆挡泥板具有控制车轮沿圆周方向向外甩液态或固态物的作用，同时也可因其结构的变化改变轮窝处的流场状态，控制和抑制灰尘扬起的数量和方向。根据轮窝处的流畅规律设计可调节半封闭式的挡泥板，并在其内侧加装了毛刷，极大地衰减了灰尘的动能，起到了降低工程车辆滚动扬尘的效果。

1  工程车辆轮窝处的气体流动状态分析

车辆的轮窝有挡泥板及内侧挡板组成，通过整车数值模拟可知其轮窝纵向形状是影响整车流畅的主要因素，而且挡泥板的几何形状决定了轮窝形状及气流运动的规律。现有的工程车辆轮窝有两种形状，分别是梯形挡泥板构成的梯形轮窝（图1）和圆弧形挡泥板构成的弧形轮窝（图2）。本文以梯形轮窝结构为例建立三维模型分析。

1.1 模型的建立

本文利用三维软件UGNX建立工程车轮窝三维模型，利用ICEM软件进行网格化，然后用FLUENT软件构建湍流分析模型，研究基于工程车辆行驶状态的动网格分析方法。以某商用车参数为例建立三维模型及参数化关联尺寸，其参数为：气相为空气，固相为直径0.01mm的颗粒物，密度为1200Kg/m3，车轮与气流的相对速度为10m/s，设置入口边界和出口边界以及壁面条件，出口边界为压力出口。

在DM中建立如图3所示的三维模型和三维流场模型，轮胎三维模型采用CREO软件进行建模，然后导入ansys软件的DM模块中，在DM模块中建立挡泥板的参数化模型[5-6]。

1.2 轮窝流场的三维仿真分析

根据分析精度要求，设置各个参数残差控制参数，并进行流场域初始化，初始化后设置计算步数和步长等参数，检查模型并提交进行运算，通过数值模拟分析获得速度流线图、截面速度矢量图、截面压力云图、截面速度云图、截面流线图等，分析如图4-图9。

由图4中可以看出，空气流线流经轮胎和挡泥板之后，流线之间会有交叉，气流流经挡泥板上部后，会折弯向下流动，流经底部和侧面的气流会向上流动，上部、下部气流之间会相互影响。为了分析空气的速度矢量变化，建立如图5所示的截面，并分析其速度矢量变化。獲得的速度矢量图如图6所示。

图6中可以看出，在挡泥板的上部左右两个角的位置，速度会发生加速，在挡泥板的内部的两个拐角处，会有湍流场出现，发生了旋涡，在挡泥板的外侧后部也会发生旋涡。截面的压力云图如图7所示。

图7中可以看出，在轮胎的前部和挡泥板的前部压力较大，阻碍了气流流动，在挡泥板的上部两个拐角处，压力梯度变化较大，在挡泥板的内部，在轮胎上部和挡泥板的后部压力较大，气流流经挡泥板后，与轮胎的后部区域，压力相对较小，挡泥板的上部后方，压力较小。

图8中可以看出，在矩形轮窝内空气的流动速度与流通截面及成反比，在边角处压力大流速小容易沉积颗粒物。在轮窝内表面与车轮距离最近处，气流速度有增加，气流经过轮窝后会冲向地面并向后延伸造成剧烈扬尘，利用扩压原理延长轮窝后部尺寸，降低气流速率有利于改善扬尘。

截面速度流线图如图9所示，空气流经轮胎和挡泥板后，速度方向会发生变化，尤其在接近地面区域变化较大，在挡泥板的内侧前部和外部后侧各有一个涡流区域。

2  抑尘式挡泥板的设计

2.1 设计思路

2.1.1 轮窝改进措施

通过数值模拟可知：轮窝内垂直于路面的速度梯度的剧烈变化及空气的扰动作用，带动颗粒物扬起并碰撞，然后从轮窝两侧及后方溢出，向低压区域运动与迁移造成扬尘。将矩形轮窝前挡板缩短后挡板加长如图10所示，轮窝前部压力高于后部压力如图11所示，车辆迎面较洁净的气流沿车轮上表面向后方流动如图12，带动残留在轮胎表面的颗粒物向后挡泥板堆积，同时起到清理轮胎表面减少轮窝前部的扬尘作用。如图12所示后挡泥板加长隔离了后挡泥板后方的涡流与车轮后下方气流的相互作用，可有效地降低扬尘。

2.1.2 减少轮窝内气流向外流动的通道面积

轮窝内气流向外流动的通道也是扬尘的重要部位，减少其通道面积，尽量将含有灰尘的气流封闭在轮窝内有利于对其后处理，为此在轮胎内外分别设置挡板减少了气流流通面积。

2.1.3 轮窝内加装抑尘板

为降低轮窝内的含有颗粒物的气流速度以及使颗粒物与空气分离并积存，采用表面设置毛刷的抑尘板，含有颗粒物的气流进入毛刷区域动能将大幅度衰减，在惯性力作用下部分空气与颗粒物分离存储在抑尘板内（后期冲洗掉），其他颗物将顺毛刷表面向下滑移降低了扬起的能量。在轮窝内表面全部加装抑尘板，通过模拟实验抑尘效果明显。

2.2 抑尘式挡泥板的结构设计

抑尘式挡泥板各组成部分的结构设计与总成装配采用三维建模设计软件SolidWorks来完成。整体结构采用组合装配结式构如图13所示。主要有五部分组成：上挡板、前挡板、后挡板及车轮内外侧挡板。上挡板为基础构建，设有与车架连接的螺栓孔和与其它各挡板或构建链接孔，后挡板与上挡板采用弹性连接装置，当受到障碍物碰撞时会向上抬起避免构件损坏，轮胎两侧护板采用螺栓链接便于拆卸，所有构建沿轮窝内表面都通过螺钉链接抑尘板，方便立即更换（如图13）。

挡泥板各组成部分之间通过螺栓兼顾且可拆卸，便于清洗。其中，上挡板与前挡板为一体设计成型，并通过上挡板前后预留8个螺栓孔，与车架紧固连接。后挡泥板总成采用弹性连接装置，当受到障碍物碰撞时会向上抬起避免构件损坏。

在抑尘式车挡泥型材料选择上应考虑到强度、韧性及抗腐蚀性，当选用非金属材料时还要考虑抗老化性。毛刷作为重要的抑尘结构件其材料要求更为苛刻，尤其是强度和寿命将其决定技术的应用性，可采用玻璃纤维增强聚丙烯（GMT）丝或高强度不锈钢丝植入抑尘板表面。

参考文献：

[1]周扬胜，肖灵，闫静，薛亦峰，燕潇.基于大气污染源排放清单的北京市污染物减排分析[J].环境与可持续发展，2019，44（02）：70-78.

[2]樊守彬，杨涛，李雪峰，王凯，亓浩雲.北京城市副中心道路扬尘排放清单与控制情景[J].环境科学与技术，2019，42（04）：173-179.

[3]胡月琪，李萌，颜旭，张超.北京市典型道路扬尘化学组分特征及年际变化[J].环境科学，2019，40（04）：1645-1655.

[4]樊守彬，杨涛，王凯，李雪峰.道路扬尘排放因子建立方法与应用[J].环境科学，2019，40（04）：1664-1669.

[5]唐洪涛，陈广厚，苗秀奇，董林源.基于CFD的超车过程车辆气动特性研究[J].天津科技大学学报，2019，34（03）：68-75.

[6]高志彬，赵锴，刘政.基于CFD的某车型外流场分析[J].汽车实用技术，2017（10）：137-139.