工程車輛輪蝸流場(chǎng)數(shù)值模擬及抑塵式擋泥板優(yōu)化設(shè)計(jì)

王霞

摘要：工程車輛揚(yáng)塵是道路揚(yáng)塵的重要成因之一。本文使用 Fluent 軟件對(duì)工程車輛驅(qū)動(dòng)輪輪窩處的空氣流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真，構(gòu)建了流場(chǎng)數(shù)值模擬的湍流模型，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬三維流場(chǎng)，獲得了車輛尾部和側(cè)面氣流流動(dòng)狀況對(duì)揚(yáng)塵的影響規(guī)律。并根據(jù)輪窩處的流場(chǎng)特點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)了具有抑塵作用的擋泥板。

關(guān)鍵詞：Fluent;動(dòng)網(wǎng)格;輪窩;抑塵板;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 ?引言

工程車輛在城市道路揚(yáng)塵中占有重要的比例，根據(jù)北京城區(qū)的測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出，汽車道路揚(yáng)塵造成的PM10 占大氣PM10總量的30%[1]。相關(guān)研究表明機(jī)動(dòng)車行駛過程中路面二次揚(yáng)塵約占城區(qū)內(nèi)PM10總量的30～50%[2-4]，而工程車輛造成的揚(yáng)塵尤為明顯，治理工程車輛的揚(yáng)塵日益受到重視。

工程車輛運(yùn)行時(shí)輪胎與地面滾動(dòng)過程中，由于輪胎和地面存在灰塵，車輛行駛產(chǎn)生的氣體流動(dòng)及輪胎花紋內(nèi)空腔的擠壓變形產(chǎn)生氣爆最終造成滾動(dòng)揚(yáng)塵，滾動(dòng)揚(yáng)塵是工程車輛揚(yáng)塵的重要因素。

本文對(duì)工程車輛行駛過程中驅(qū)動(dòng)輪輪窩處的氣體流場(chǎng)為研究對(duì)象，采用湍流模型和氣固二相流數(shù)值模擬分析方法，探索工程車輛驅(qū)動(dòng)輪輪窩內(nèi)外速度場(chǎng)壓力場(chǎng)的變化規(guī)律。車輛擋泥板具有控制車輪沿圓周方向向外甩液態(tài)或固態(tài)物的作用，同時(shí)也可因其結(jié)構(gòu)的變化改變輪窩處的流場(chǎng)狀態(tài)，控制和抑制灰塵揚(yáng)起的數(shù)量和方向。根據(jù)輪窩處的流暢規(guī)律設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)半封閉式的擋泥板，并在其內(nèi)側(cè)加裝了毛刷，極大地衰減了灰塵的動(dòng)能，起到了降低工程車輛滾動(dòng)揚(yáng)塵的效果。

1 ?工程車輛輪窩處的氣體流動(dòng)狀態(tài)分析

車輛的輪窩有擋泥板及內(nèi)側(cè)擋板組成，通過整車數(shù)值模擬可知其輪窩縱向形狀是影響整車流暢的主要因素，而且擋泥板的幾何形狀決定了輪窩形狀及氣流運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。現(xiàn)有的工程車輛輪窩有兩種形狀，分別是梯形擋泥板構(gòu)成的梯形輪窩（圖1）和圓弧形擋泥板構(gòu)成的弧形輪窩（圖2）。本文以梯形輪窩結(jié)構(gòu)為例建立三維模型分析。

1.1 模型的建立

本文利用三維軟件UGNX建立工程車輪窩三維模型，利用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格化，然后用FLUENT軟件構(gòu)建湍流分析模型，研究基于工程車輛行駛狀態(tài)的動(dòng)網(wǎng)格分析方法。以某商用車參數(shù)為例建立三維模型及參數(shù)化關(guān)聯(lián)尺寸，其參數(shù)為：氣相為空氣，固相為直徑0.01mm的顆粒物，密度為1200Kg/m3，車輪與氣流的相對(duì)速度為10m/s，設(shè)置入口邊界和出口邊界以及壁面條件，出口邊界為壓力出口。

在DM中建立如圖3所示的三維模型和三維流場(chǎng)模型，輪胎三維模型采用CREO軟件進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入ansys軟件的DM模塊中，在DM模塊中建立擋泥板的參數(shù)化模型[5-6]。

1.2 輪窩流場(chǎng)的三維仿真分析

根據(jù)分析精度要求，設(shè)置各個(gè)參數(shù)殘差控制參數(shù)，并進(jìn)行流場(chǎng)域初始化，初始化后設(shè)置計(jì)算步數(shù)和步長(zhǎng)等參數(shù)，檢查模型并提交進(jìn)行運(yùn)算，通過數(shù)值模擬分析獲得速度流線圖、截面速度矢量圖、截面壓力云圖、截面速度云圖、截面流線圖等，分析如圖4-圖9。

由圖4中可以看出，空氣流線流經(jīng)輪胎和擋泥板之后，流線之間會(huì)有交叉，氣流流經(jīng)擋泥板上部后，會(huì)折彎向下流動(dòng)，流經(jīng)底部和側(cè)面的氣流會(huì)向上流動(dòng)，上部、下部氣流之間會(huì)相互影響。為了分析空氣的速度矢量變化，建立如圖5所示的截面，并分析其速度矢量變化。獲得的速度矢量圖如圖6所示。

圖6中可以看出，在擋泥板的上部左右兩個(gè)角的位置，速度會(huì)發(fā)生加速，在擋泥板的內(nèi)部的兩個(gè)拐角處，會(huì)有湍流場(chǎng)出現(xiàn)，發(fā)生了旋渦，在擋泥板的外側(cè)后部也會(huì)發(fā)生旋渦。截面的壓力云圖如圖7所示。

圖7中可以看出，在輪胎的前部和擋泥板的前部壓力較大，阻礙了氣流流動(dòng)，在擋泥板的上部?jī)蓚€(gè)拐角處，壓力梯度變化較大，在擋泥板的內(nèi)部，在輪胎上部和擋泥板的后部壓力較大，氣流流經(jīng)擋泥板后，與輪胎的后部區(qū)域，壓力相對(duì)較小，擋泥板的上部后方，壓力較小。

圖8中可以看出，在矩形輪窩內(nèi)空氣的流動(dòng)速度與流通截面及成反比，在邊角處壓力大流速小容易沉積顆粒物。在輪窩內(nèi)表面與車輪距離最近處，氣流速度有增加，氣流經(jīng)過輪窩后會(huì)沖向地面并向后延伸造成劇烈揚(yáng)塵，利用擴(kuò)壓原理延長(zhǎng)輪窩后部尺寸，降低氣流速率有利于改善揚(yáng)塵。

截面速度流線圖如圖9所示，空氣流經(jīng)輪胎和擋泥板后，速度方向會(huì)發(fā)生變化，尤其在接近地面區(qū)域變化較大，在擋泥板的內(nèi)側(cè)前部和外部后側(cè)各有一個(gè)渦流區(qū)域。

2 ?抑塵式擋泥板的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

2.1.1 輪窩改進(jìn)措施

通過數(shù)值模擬可知：輪窩內(nèi)垂直于路面的速度梯度的劇烈變化及空氣的擾動(dòng)作用，帶動(dòng)顆粒物揚(yáng)起并碰撞，然后從輪窩兩側(cè)及后方溢出，向低壓區(qū)域運(yùn)動(dòng)與遷移造成揚(yáng)塵。將矩形輪窩前擋板縮短后擋板加長(zhǎng)如圖10所示，輪窩前部壓力高于后部壓力如圖11所示，車輛迎面較潔凈的氣流沿車輪上表面向后方流動(dòng)如圖12，帶動(dòng)殘留在輪胎表面的顆粒物向后擋泥板堆積，同時(shí)起到清理輪胎表面減少輪窩前部的揚(yáng)塵作用。如圖12所示后擋泥板加長(zhǎng)隔離了后擋泥板后方的渦流與車輪后下方氣流的相互作用，可有效地降低揚(yáng)塵。

2.1.2 減少輪窩內(nèi)氣流向外流動(dòng)的通道面積

輪窩內(nèi)氣流向外流動(dòng)的通道也是揚(yáng)塵的重要部位，減少其通道面積，盡量將含有灰塵的氣流封閉在輪窩內(nèi)有利于對(duì)其后處理，為此在輪胎內(nèi)外分別設(shè)置擋板減少了氣流流通面積。

2.1.3 輪窩內(nèi)加裝抑塵板

為降低輪窩內(nèi)的含有顆粒物的氣流速度以及使顆粒物與空氣分離并積存，采用表面設(shè)置毛刷的抑塵板，含有顆粒物的氣流進(jìn)入毛刷區(qū)域動(dòng)能將大幅度衰減，在慣性力作用下部分空氣與顆粒物分離存儲(chǔ)在抑塵板內(nèi)（后期沖洗掉），其他顆物將順毛刷表面向下滑移降低了揚(yáng)起的能量。在輪窩內(nèi)表面全部加裝抑塵板，通過模擬實(shí)驗(yàn)抑塵效果明顯。

2.2 抑塵式擋泥板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抑塵式擋泥板各組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與總成裝配采用三維建模設(shè)計(jì)軟件SolidWorks來完成。整體結(jié)構(gòu)采用組合裝配結(jié)式構(gòu)如圖13所示。主要有五部分組成：上擋板、前擋板、后擋板及車輪內(nèi)外側(cè)擋板。上擋板為基礎(chǔ)構(gòu)建，設(shè)有與車架連接的螺栓孔和與其它各擋板或構(gòu)建鏈接孔，后擋板與上擋板采用彈性連接裝置，當(dāng)受到障礙物碰撞時(shí)會(huì)向上抬起避免構(gòu)件損壞，輪胎兩側(cè)護(hù)板采用螺栓鏈接便于拆卸，所有構(gòu)建沿輪窩內(nèi)表面都通過螺釘鏈接抑塵板，方便立即更換（如圖13）。

擋泥板各組成部分之間通過螺栓兼顧且可拆卸，便于清洗。其中，上擋板與前擋板為一體設(shè)計(jì)成型，并通過上擋板前后預(yù)留8個(gè)螺栓孔，與車架緊固連接。后擋泥板總成采用彈性連接裝置，當(dāng)受到障礙物碰撞時(shí)會(huì)向上抬起避免構(gòu)件損壞。

在抑塵式車擋泥型材料選擇上應(yīng)考慮到強(qiáng)度、韌性及抗腐蝕性，當(dāng)選用非金屬材料時(shí)還要考慮抗老化性。毛刷作為重要的抑塵結(jié)構(gòu)件其材料要求更為苛刻，尤其是強(qiáng)度和壽命將其決定技術(shù)的應(yīng)用性，可采用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（GMT）絲或高強(qiáng)度不銹鋼絲植入抑塵板表面。

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