基于CFD的某微型客車背部塵土污染機理研究

廖志濤　汪怡平　李　浩

(武漢理工大學汽車學院1)　武漢　430070)　(一汽大眾汽車有限公司2)　長春　130011)

基于CFD的某微型客車背部塵土污染機理研究

廖志濤1)汪怡平1)李浩2)

(武漢理工大學汽車學院1)武漢430070)(一汽大眾汽車有限公司2)長春130011)

摘要：針對汽車車身塵土污染現(xiàn)象，介紹汽車表面污染的研究意義及現(xiàn)狀.以某微型客車為研究對象，利用數(shù)值模擬方法研究車身周圍的流場結(jié)構，分析引起背部塵土污染的因素并對背部塵土污染結(jié)果進行預測.采用Realizable k-ε湍流模型，以及DPM(離散相)模型，探討塵土顆粒在流場中的受力情況，在朗格朗日坐標系下對顆粒運動微分方程積分得到其運動軌跡，從而揭示汽車表面污染的形成機理.針對微型客車背部污染形成機理，提出幾種減少背部污染的措施.

關鍵詞：表面污染；數(shù)值模擬；湍流；離散相；運動軌跡

0引言

隨著道路條件的變化，以及人們對汽車乘坐舒適性要求的提高，汽車表面污染問題已經(jīng)成為空氣動力學的重要方面.汽車在使用過程中難免會接觸泥水和塵土，如果汽車車身周圍的流場結(jié)構不合理，隨車身周圍氣流運動的泥土或者顆粒會附著在汽車表面，不僅影響美觀，還會影響駕駛員視野，從而威脅行車安全[1].與此同時，汽車電子化的發(fā)展趨勢使汽車裝備越來越多的攝像設備，這些設備表面的清潔程度會影響設備的工作性能，以及乘客的舒適性[2].保持車身表面光潔，會降低洗車的頻率，從而減少汽車的使用成本.因此，探究汽車行駛時周圍的流場分布，分析車身表面的壓力、速度分布，研究塵土粒子的運動軌跡，具有重要的意義.

隨著汽車空氣動力學的發(fā)展，汽車表面塵土污染已經(jīng)成為越來越活躍的研究熱點.2011年捷豹路虎公司的Adrian Gaylard用格子玻爾茲曼方法對轎車和SUV表面污染進行了數(shù)值模擬，揭示引起車身側(cè)壁及背部污染因素.2013年美國EXA公司的Gaylard等[3]針對某SUV車型背部塵土污染問題進行風洞試驗，在后處理過程中用紫外線染色劑顯示背部污染物厚度，并輔以道路試驗驗證了數(shù)值模擬方法對結(jié)果預測的可靠性.2014年上汽通用五菱公司的Yang等[4]針對對五菱榮光底部結(jié)構進行空氣動力學分析，對擋泥板優(yōu)化設計和增加車身底部發(fā)動機蓋，減小整車氣動阻力和發(fā)動機遭受泥土污染的程度.2012和2014年，金益鋒等[5-6]分別對某微型客車和SUV的車身污染及降低污染的措施進行了充分的探討.

本文在前人研究的基礎上建立一種有效的數(shù)值模擬方法，對某微型客車背部污染機理進行分析，為后續(xù)的相關研究提供一定的理論指導.

1汽車表面塵土污染概述

汽車在道路上行駛時，表面污染的來源有3種，見圖1，根據(jù)污染來源的不同可以分為：雨水污染、外部污染和自身污染[7].本文研究的重點集中在汽車行駛過程中自身造成的污染.汽車的表面塵土污染程度與車身外形，以及道路條件有關，通過合理的外形設計可以減少汽車在行駛過程中的塵土污染程度.目前的研究方法主要有試驗研究、理論分析，以及數(shù)值模擬等.

圖1　造成汽車表面污染的3種來源

塵埃在車身粘附的過程主要分3個階段：塵土擴散、傳播和顆粒分離.車輛在道路上行駛時，車身周圍的流場涉及湍流與多相流，并且這種復雜流動現(xiàn)象包含了氣體、液體，以及固體懸浮顆粒等的參與，同時各相流動之間可能還存在耦合作用.要建立一套精確模擬車身周圍流場的理論非常困難，因此針對具體問題進行適度的簡化對問題本身具有非常重要的意義.本文研究微型客車背部塵土污染，做出如下假設:(1)考慮汽車在干燥路面條件下的車身表面污染問題，將車身周圍的流場簡化為氣相與顆粒相混合的兩相流動；(2)流場湍流流動是充分發(fā)展的，氣相流場是無溫差且恒定的；(3)顆粒相的體積分數(shù)小于10%，不考慮顆粒相之間的相互作用.

微型客車受車身設計及路面條件影響，其車身側(cè)壁，以及背部非常容易遭受塵土的污染，其中背部是污染較為嚴重的區(qū)域.背部污染的來源主要有：(1)旋轉(zhuǎn)的后車輪將地面上的塵土卷起，隨著車身周圍氣流運動繞過C柱流向汽車背部形成污染；(2)由于車輪輪腔內(nèi)外存在壓力差，輪腔內(nèi)的液滴或塵土顆粒受壓差力作用進入到車身周圍流場中，隨氣流進入車輪尾部區(qū)域形成污染；(3)進入底盤與地面間隙的氣流攜帶著顆粒由于受空間和底盤部件的影響形成阻滯，從車身兩側(cè)或者車輛尾部溢出并向上流動，并附著在車身表面.

2數(shù)值模擬理論

2.1基本方程及湍流模型方程

汽車車速遠低于聲速，因此將汽車周圍的流場看作三維不可壓縮粘性等溫流場，研究方法一般是采用雷諾時均的N-S方程.研究汽車表面塵土污染問題時，車身周圍的流場除了滿足連續(xù)性方程和N-S方程外，還必須滿足湍流模型方程.Realizablek-ε湍流模型考慮了旋轉(zhuǎn)和曲率對流動的影響，能有效模擬旋轉(zhuǎn)剪切流、含有射流的自由流以及邊界層流動等[8].本文采用Realizablek-ε湍流模型來分析汽車表面塵土污染.

2.2離散相動力學模型

在車身周圍夾雜著顆粒的氣流中，離散相的體積分數(shù)小于10%，因此采用拉格朗日方法對顆粒的軌跡進行追蹤.汽車塵土污染研究中，顆粒的運動軌跡對塵土污染的程度至關重要，在拉氏坐標系下對顆粒作用力微分方程進行積分可以求解顆粒的軌跡.顆粒的作用力平衡方程(顆粒慣性=作用在顆粒上的各種力)在笛卡爾坐標系下的形式(X方向)為

(1)

式中：u為流體相的速度，m·s-1；up為顆粒相速度，m·s-1；ρ為流體密度，kg·m-3；ρp為顆粒密度，kg·m-3,FD(u-up)為顆粒的單位質(zhì)量曳力，

(2)

在車身近壁面該力主要為由速度梯度引起的升力[10]：

(3)

其中:υ1/2為流體運動粘度；dp為顆粒直徑；up′為顆粒下一點的速度；dij，dlk，dkl為流體變形速度張量[11]；K=2.894.本文研究汽車在干燥路面條件下行駛時的塵土污染問題，對塵土顆粒只考慮重力、氣流阻力和流場速度梯度引起的升力.

3數(shù)值仿真計算

3.1計算模型的建立

本文以某微型客車為研究對象，在不影響計算精度的前提下，對三維數(shù)模進行適當?shù)暮喕雎蚤T把手、后視鏡、雨刮器等附件，并對底盤進行平整化處理.為使來流均勻以及尾流充分發(fā)展，在確定計算域時使來流口距車身3倍車長，出流口距車尾7倍車長，左右各3倍車寬，計算域高度為5倍車高.仿真求解的計算域見圖2.

圖2　仿真求解的計算域

3.2網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM CFD采用四面體和三棱柱的混合網(wǎng)格形式對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，在車身附近利用密度盒進行加密處理，此處參數(shù)變化梯度較大；在參數(shù)變化梯度小的地方采用較稀疏的網(wǎng)格，節(jié)約計算資源，兼顧精度與計算效率；同時為滿足壁面函數(shù)的要求，在車

身表面劃分與車身表面平行的三棱柱網(wǎng)格來模擬附面層，網(wǎng)格劃分完成后網(wǎng)格數(shù)量達500多萬.

3.3邊界條件設置以及求解

本論文采用基于壓力的瞬態(tài)求解器，湍流模型為Realizablek-ε湍流模型，標準壁面函數(shù)，二階迎風格式對控制方程進行離散化，壓力-速度耦合方式為SIMPLE算法.邊界條件設置見表1.

表1　邊界條件參數(shù)設置

3.4離散相模型的設置

離散相模型參數(shù)包括離散相噴射口、初始條件、邊界條件和介質(zhì)屬性等，這些參數(shù)的正確設置對汽車表面污染模擬的結(jié)果至關重要.根據(jù)造成微型客車背部污染的3方面的來源，本文進行數(shù)值計算時主要設置3個方面的離散相噴射口，輪胎噴射口、輪腔噴射口和底盤尾部離散相噴射口等.考慮到輪胎前1/4胎面攜帶的顆粒較少，并且攜帶的少量顆粒速度方向朝向地面，因此輪胎噴射口設置為3/4胎面.離散相噴射口見圖3.

圖3　離散相噴射口

離散相模型的參數(shù)設置是在set injection properties中完成的，對射流源的射入類型、顆粒的直徑分布、射入位置以及速度等進行相關設置，仿真過程考慮離散相與連續(xù)相之間的耦合作用，采用面射流源的噴射方式，車輪噴射源、輪腔噴射源和底盤噴射源的質(zhì)量流率分別為0.01，0.008和0.005 kg/s，具體參數(shù)設置見表2.

表2　離散相模型參數(shù)設置

離散相模型的邊界條件有捕捉、逃逸、反彈和通過等[12]，對計算域入口和出口設置為逃逸，其余壁面設置為反彈，顆粒直徑分布服從Rosin-rammler分布，最小粒子直徑為3×10-5m，最大粒子直徑5×10-4m，平均粒子直徑為1.5×10-4m.

4汽車尾部污染分析

4.1尾部區(qū)域速度分布

后車輪及輪腔速度流線見圖4，從圖中可以清晰地看出輪胎和輪腔引起的氣流經(jīng)過汽車側(cè)壁后部繞過制動燈進入車輛尾部流場區(qū)域，可以看到在車輛側(cè)壁和尾部的氣流分離區(qū)速度較高.因此，從后輪及輪腔噴射面射出的顆粒一方面加重了汽車側(cè)壁后部區(qū)域的污染，另外一方面會隨著氣流進入尾部流場對汽車背部造成污染.

圖4　后輪及輪腔噴射面速度流線圖

底盤噴射面引起的速度流線見圖5，氣流經(jīng)過底盤末端繞到尾部流場區(qū)域，攜帶在氣流中的污染顆粒會隨著氣流沉積在車輛背部區(qū)域.為了更好地展示車身周圍的流場結(jié)構，選取縱向?qū)ΨQ面A-A和Z=0.5 m的截面，圖6是縱向?qū)ΨQ面內(nèi)的速度矢量圖，可以看到車輛尾部存在一個較大的氣流低速區(qū)域，區(qū)域內(nèi)存在兩個向內(nèi)地對稱旋轉(zhuǎn)的渦，攜帶著污染顆粒的氣流隨著下部的渦上卷，附著在汽車背部，進而形成表面污染.圖7是Z=0.5 m的截面內(nèi)速度矢量圖，從圖中可以看出尾部中央速度比兩側(cè)低，速度較低的區(qū)域內(nèi)存在方向相反的渦，污染顆粒從兩側(cè)隨氣流向中央運動.

圖5　底盤噴射面速度流線圖

圖6　縱向?qū)ΨQ面速度矢量圖

圖7　Z=0.5 m截面內(nèi)速度矢量圖

4.2離散相顆粒的運動軌跡

圖8為某一時刻從后車輪和輪腔射出的顆粒的軌跡圖，從圖中可以看出顆粒在車輛側(cè)壁尾部濃度較高，并且部分顆粒隨著時間的推移會隨著氣流向車輛尾部運動.為了更清晰地展示汽車背部污染的動態(tài)過程，圖9截取了仿真過程中的4個時刻從底盤噴射口射出的粒子的軌跡圖，可以看出從底盤噴射口射出的粒子是造成汽車背部污染的主要原因，隨著仿真時間的不斷推進，一方面更多的粒子從噴射面射出，另外一方面已經(jīng)存在流場中的顆粒隨著氣流進入尾流區(qū)，并不斷上卷，在t=0.09 s時后保險杠區(qū)域已經(jīng)存在了明顯污染，并且污染區(qū)域有向背部上方擴散的趨勢.

圖8　車輪及車腔顆粒軌跡追蹤圖

圖9　底盤噴射面顆粒在4個不同時刻運動軌跡追蹤圖

4.3縱向?qū)ΨQ面內(nèi)的壓強分布

圖10為車輛尾部縱向?qū)ΨQ面的壓力分布云圖，由圖中可以看出大部分的區(qū)域的壓強都比標準大氣壓小，并且壓力從較遠的位置到尾部不斷減小，氣流從車身頂部和底部匯集到尾部區(qū)域并形成低壓的渦區(qū)，而且渦區(qū)的旋轉(zhuǎn)使低壓有向整個車身背部表面擴散的趨勢，正是這種壓力差及擴散作用使攜帶在氣流中的塵埃沉積在背部車身表面，從而形成污染.

圖10　縱向?qū)ΨQ面內(nèi)的壓力分布云圖

5結(jié)論

1) 由底盤噴射源射出的顆粒是造成汽車背部污染的主要原因，由于車身尾部存在渦流區(qū)，粒子隨氣流在此運動會發(fā)生翻卷并在壓差和擴散的作用下附著在背部車身表面.

2) 從后車輪和輪腔射流源射出的顆粒一方面對汽車側(cè)壁后部造成污染，另外一方面部分污染顆粒會隨著氣流進入尾流區(qū)，加重背部區(qū)域的污染.

3) 針對汽車背部污染的來源，一方面可以采取措施以減少進入地面間隙的氣流，如安裝擾流器和前擋板等裝置；另外一方面可以將車頂?shù)纳线吔堑箞A或在車頂上邊角安裝導流片，以使從車頂流抑制底部流向上翻起并對后窗上的塵土進行沖刷.

參 考 文 獻

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Investigation of Rear Surface Contamination Mechanism of a Micro-bus Based on CFD

LIAO Zhitao1)WANG Yiping1)LI Hao2)

(AutomotiveEngineeringCollegeofWuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(FAW-VolkswagenAutomotiveCo.Ltd,Changchun130011,China)2)

Abstract：Taking a micro-bus as the study target, the numerical simulation method is utilized to investigate the flow structure around car body. The factors that cause rear surface contamination are observed and the simulation results are predicted. A combination of Realizable k-ε turbulence model and DPM is adopted and the particle force condition is considered. The trajectory of the particles is displayed with integral on particle motion differential equations on the Lagrange coordinate to reveal the formation mechanism of the surface contamination. Finally, several countermeasures are proposed to control the rear surface dirt deposition based on the mechanism of contamination.

Key words：surface contamination; numerical simulation; turbulence; DPM; trajectory

收稿日期：2016-03-12

中圖法分類號：U461.1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.035

廖志濤(1991- )：男，碩士生，主要研究領域為汽車空氣動力學