基于CFD 技术的养蜂车流场仿真与分析

周艺南 周军莉 黄丰云 周亮 王星宇 李崇岳

1 武汉理工大学土木工程与建筑学院

2 武汉理工大学机电工程学院

0 引言

机械化养蜂可促进蜜蜂授粉，在维持生态环境稳定、促进农业生产等方面具有巨大的社会经济效益[1]。养蜂车作为机械化养蜂的重要载体，早在30 多年前就出现在我国汽车产品公告管理目录之上，但是由于经济政治等方面的因素，一直没有汽车厂家进行开发生产。近些年随着我国对机械化养蜂的重视程度加大，出台了许多政策来促进机械化养蜂的发展[2-4]。在众多政策鼓励之下，我国汽车厂家逐步进入养蜂车生产领域，且由于养蜂车具有良好的经济效益，其产量及销量都在不断提升。但是，养蜂车在使用过程中仍存在不少问题，特别是养蜂车在转场时的车厢区域闷热环境，会给蜜蜂的生存带来严重影响[5]。因此在养蜂车设计、运行等环节就应考虑到流场对其影响。

在使用CFD 技术对汽车流场、温度场进行数值分析方面，国内外学者已经做了许多研究[6-8]，但是有关养蜂车流场的研究内容甚少，国内目前关于此方向的研究几乎处于空白。因此本文选择以养蜂车为研究对象，通过CFD 数值模拟对其流场进行分析研究，得到的结果对于养蜂车的设计制造、蜜蜂生活环境改善等方面具有指导意义。

1 物理模型与数学描述

1.1 物理模型

以图1 所示的五征奥驰养蜂车为原型，并依据研究重点对其进行简化，忽略了后视镜、雨刷等部件，对养蜂车底盘进行了平整化处理后建立起了如图2 所示的两种几何模型，二者的主要区别在于有/无后挡板。图2 中养蜂车模型具体参数为：车总长8.9 m，总宽2.5 m，总高4.02 m；其中驾驶间长2 m，宽2.5 m；生活间长2 m，宽2.5 m，高3 m；蜂箱区域长4.9 m，宽0.58 m，高3 m；人行走道长4.9 m，宽1.34 m，高3 m；后挡板宽1.34 m，高1.04 m。养蜂车模型具有对称性，为提高计算效率，建立了半车身模型。计算区域边界距车头为4 倍车长，距车尾为7 倍车长，距车两侧为5倍车宽，距车顶为5 倍车高。

图1 养蜂车实物图

图2 仿真计算模型

1.2 数学模型

养蜂车在行驶过程中的速度一般在20 km/h 至100 km/h 之间，远低于0.3 个马赫数，因此养蜂车周围可视为三维不可压缩黏性流场[9]。采用RNG k-ε 两方程模型进行数值模拟，湍流控制方程如下：

式中：div(ρVφ)为对流项；ρ 为空气密度；V 为速度；φ 为通量；div(Γgradφ)为扩散项；Γ 为扩散系数；S 为源项。

控制方程包含着连续性方程，动量方程，能量方程，k 方程和ε 方程。其中RNG k-ε 模型的湍动能k和湍流耗散ε 的输运方程分别为：

式中：Gk表示由层流速度梯度而产生的湍动能项；Gb表示由浮力产生的湍动能项；YM在表示可压缩流动中，湍流脉动膨胀到全局流程中对耗散率的贡献项；C1，C2，C3是常量；σk和σε是k 方程和ε 方程的湍流Prandtl 数；Sk和Sε是用户定义的湍动能项和湍流耗散源项。

2 网格划分与边界条件

由于养蜂车外形较为复杂，但计算域十分规整，因此为了提高网格质量，控制网格数目，采用混合网格生成策略。在ICEM CFD 软件中将整体计算域分为内外两个，内部靠近养蜂车的小计算域用来划分非结构网格，计算域尺寸为车前0.5 倍车长，车后1 倍车长，侧面0.5 倍车宽，上部1 倍车高，在这部分中，由于车轮与地面接触处尺寸的变化较大，若将车轮处理成圆柱，则会引起车轮与地面接触处网格的畸变，影响网格的整体质量，因此本文将车轮处理成如图3 所示，可以很好的解决这一问题[10]。余下区域划分结构化网格。为了验证网格无关性，分别划分了粗、中、密三种精度的网格，经过网格无关性验证选取了中等数量的网格进行数值计算。最终生成的网格如图3 所示。

图3 网格划分

将网格文件导入Fluent 中进行数值计算，边界条件设置如下：入口为速度入口，根据养蜂车运行特点，速度选择20 m/s，出口为压力出口，内外计算域的交界面为interior 边界，对称面为对称边界条件，其余壁面为无滑移壁面边界。

3 CFD 方法验证

目前没有关于养蜂车流场的实验数据，且无进行实验的条件，因而无法对养蜂CFD 仿真进行实验验证，但Abdullah M.Al-Garni 等人[11]曾针对皮卡车缩比模型进行过三种不同雷诺数的PIV 实验。因此可以通过采用与上文养蜂车数值仿真相同的方法进行皮卡车模型的建立、网格划分、边界条件设置。将模拟结果与PIV 实验结果相对比，以此来验证CFD 仿真方法的可靠性，这里选择与Re=850000 时的实验数据作对比。图4 为皮卡车半车身模型尺寸为：长为432 mm、宽76 m、高148.8 mm。

图4 皮卡车半车身模型

皮卡车缩比模型实验结果与模拟结果对比显示：CFD 仿真方法预测结果与PIV 实验结果虽存在一定的差距，但由图5 可看出二者Cp的变化趋势相同，尾门内外Cp的最大相对误差分别为12%和28%。说明本文所采用的CFD 数值仿真方法合理可靠，可用于养蜂车流场分析。

图5 尾门内外压力系数对比

4 计算结果分析和对比

养蜂车在行驶过程中会产生许多涡旋，这些涡旋不仅会对车辆的能耗有消极影响[9]。有些还会引起车厢区域热量堆积、使车厢的空气流通性变差，并会对蜜蜂的生存构成威胁。

4.1 养蜂车流场特性分析

如图6 纵向对称面流线图所示，入口处的气流流经养蜂车前端时由于汽车前脸的阻滞发生分离。一部分经过驾驶室、整流罩和生活间向后方流去。另一部分经过车底向后流去。上方的气流到达生活间与车厢区域的交界点时，由于此处转折过于明显，导致气流无法继续贴合模型表面流动，从而气流在此处发生分离。分离的气流一部分往下方偏曲并继续往后流动，在到达尾部挡板时再次发生分离。另一部分则在人行走道区域生成一个顺时针的占据人行走道大部分区域的涡旋。下方通过车底的气流在到达车尾部挡板时汇入上部气流，在尾部挡板后生成了一个较小的顺时针涡旋。这些涡旋的存在不仅会对汽车的能耗有影响，而且还会影响养蜂车车厢区域的热环境，对蜜蜂的正常生存产生影响。

图6 纵向对称面流线图

图7、图8 分别为纵向对称面的压力云图和速度云图，由这两幅图可以看出养蜂车前脸处于正压区，这是因为前脸对气流的阻滞作用使得来流的速度降低、压力随之升高。养蜂车的整流罩具有弧度，起到引导气流的作用，因此气流得以平稳过渡至整流罩与生活间的连接处，在这个连接处气流由于速度较高、且存在剥离现象，因此出现负压。还可以看出养蜂车车厢区域及车尾处存在较大的负压区，且人行走道区域的速度存在负值，这是因为车厢及尾部存在涡流，流动情况复杂。养蜂车前脸的正压和尾部的负压形成了压差阻力，这是影响汽车能耗的重要因素。根据仿真结果计算出有后挡板时养蜂车的空气阻力系数约为0.68，处于目前货车该系数参考值0.6～0.8 范围之内[12]。

图7 纵向对称面压力云图

图8 纵向对称面速度云图

4.2 有/无挡板养蜂车流场特性对比分析

考虑到后挡板在养蜂车运输过程中可能会阻碍人行走道区域的空气流动，加上空气流通性对于蜜蜂的生存有着较大的影响，所以进行了无后挡板情况下的养蜂车流场数值仿真。将有/无挡板模拟结果进行对比，分析有/无后挡板对流场的影响。

无后挡板时，远处来流也在遇到养蜂车阻滞时发生分离而形成涡流区。如图9 所示，来流因受前脸阻滞分成两股，一股往上经挡风玻璃、整流罩及生活间流向后方，在生活间末端因模型存在转折，气流突然失去限制，从而形成了剪切层，产生负压区，在人行走道区域形成一个较大的顺时针涡旋；另外一股气流由车底流出，在压差的作用下形成逆时针涡旋。

图9 纵向对称面流线图（无挡板）

通过对无后挡板情况下的流场分析我们可以发现其与有挡板时存在如下差异：无后挡板时人行走道的顺时针涡旋的中心往后偏移，这对于人行走道区域热环境的改善有积极影响。后挡板处涡旋的方向存在差异，有后挡板时为顺时针，无后挡板时为逆时针。这是因为后挡板存在时，其上方气流再次发生分离形成剪切层，加上压差的作用使得此处形成顺时针涡旋。

图10、图11 分别为无后挡板时纵向对称面的压力云图和速度云图。通过与有挡板时养蜂车压力云图和速度云图对比可以发现：虽然二者均在车厢区域产生了面积较大的负压区，但是通过对比可以得出：无后挡板时车厢区域负压区总体压强绝对值小于有后挡板时的压强，无后挡板时压强分布均匀统一，但无后挡板时的前后压差较大。对比速度云图发现有挡板时车厢区域流场更为复杂，速度变化大。根据数值仿真结果计算出无后挡板时的养蜂车空气阻力系数约为0.71，该值比有后挡板时偏大。

图10 纵向对称面压力云图（无后挡板）

图11 纵向对称面速度云图（无后挡板）

图12、图13 分别为有挡板、无挡板时，纵向对称面上养蜂车前后风速沿高度方向的变化情况。由图12、13 对比分析可知：在气流未到达养蜂车时，有挡板和无挡板前部的风速廓线基本吻合，二者均是从0 开始，先上升、再大体上保持不变、最后下降至0。这是因为气流在计算域上下表面形成边界层。有后挡板和无后挡板对比发现，养蜂车后部风速廓线在0-4 m 高度范围内存在较大差异。产生这一现象的原因是，有后挡板和无后挡板的尾部流场存在较大差异。养蜂车前部和后部速度廓线大体上吻合，差异主要出现在高度为0～4 m 范围内，这是因为养蜂车对气流的阻滞作用，使得养蜂车尾部流动情况复杂。

图12 有后挡板时风速廓线

图13 无后挡板时风速廓线

5 结论

在CFD 仿真方法验证的基础上，运用此方法对养蜂车的流场进行分析研究。研究结果表明：

1）有/无后挡板情况下养蜂车的速度场、压力场在养蜂车前端及两侧大致相同。但车厢区域二者存在差异，无后挡板时涡旋向车厢外部偏移，有利于车厢区域的通风散热。在考虑到养蜂车是以保障蜜蜂正常生存为基本准则时，无后挡板显然对蜜蜂的生存更加有利。

2）有/无后挡板情况下养蜂车阻力系数不同，有挡板的阻力系数要略低于无挡板。这时由于无后挡板时，养蜂车尾部空气流动情况更为复杂。

3）有/ 无后挡板情况下，距养蜂车前、后分别为4 m 时的风速廓线存在差异。这也反映出二者的流场的不同，无后挡板时尾部流动更为复杂。