基于CFD 技術(shù)的養(yǎng)蜂車流場(chǎng)仿真與分析

周藝南 周軍莉 黃豐云 周亮 王星宇 李崇岳

1 武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院

2 武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院

0 引言

機(jī)械化養(yǎng)蜂可促進(jìn)蜜蜂授粉，在維持生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1]。養(yǎng)蜂車作為機(jī)械化養(yǎng)蜂的重要載體，早在30 多年前就出現(xiàn)在我國汽車產(chǎn)品公告管理目錄之上，但是由于經(jīng)濟(jì)政治等方面的因素，一直沒有汽車廠家進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)。近些年隨著我國對(duì)機(jī)械化養(yǎng)蜂的重視程度加大，出臺(tái)了許多政策來促進(jìn)機(jī)械化養(yǎng)蜂的發(fā)展[2-4]。在眾多政策鼓勵(lì)之下，我國汽車廠家逐步進(jìn)入養(yǎng)蜂車生產(chǎn)領(lǐng)域，且由于養(yǎng)蜂車具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，其產(chǎn)量及銷量都在不斷提升。但是，養(yǎng)蜂車在使用過程中仍存在不少問題，特別是養(yǎng)蜂車在轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)的車廂區(qū)域悶熱環(huán)境，會(huì)給蜜蜂的生存帶來嚴(yán)重影響[5]。因此在養(yǎng)蜂車設(shè)計(jì)、運(yùn)行等環(huán)節(jié)就應(yīng)考慮到流場(chǎng)對(duì)其影響。

在使用CFD 技術(shù)對(duì)汽車流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析方面，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了許多研究[6-8]，但是有關(guān)養(yǎng)蜂車流場(chǎng)的研究?jī)?nèi)容甚少，國內(nèi)目前關(guān)于此方向的研究幾乎處于空白。因此本文選擇以養(yǎng)蜂車為研究對(duì)象，通過CFD 數(shù)值模擬對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行分析研究，得到的結(jié)果對(duì)于養(yǎng)蜂車的設(shè)計(jì)制造、蜜蜂生活環(huán)境改善等方面具有指導(dǎo)意義。

1 物理模型與數(shù)學(xué)描述

1.1 物理模型

以圖1 所示的五征奧馳養(yǎng)蜂車為原型，并依據(jù)研究重點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略了后視鏡、雨刷等部件，對(duì)養(yǎng)蜂車底盤進(jìn)行了平整化處理后建立起了如圖2 所示的兩種幾何模型，二者的主要區(qū)別在于有/無后擋板。圖2 中養(yǎng)蜂車模型具體參數(shù)為：車總長(zhǎng)8.9 m，總寬2.5 m，總高4.02 m；其中駕駛間長(zhǎng)2 m，寬2.5 m；生活間長(zhǎng)2 m，寬2.5 m，高3 m；蜂箱區(qū)域長(zhǎng)4.9 m，寬0.58 m，高3 m；人行走道長(zhǎng)4.9 m，寬1.34 m，高3 m；后擋板寬1.34 m，高1.04 m。養(yǎng)蜂車模型具有對(duì)稱性，為提高計(jì)算效率，建立了半車身模型。計(jì)算區(qū)域邊界距車頭為4 倍車長(zhǎng)，距車尾為7 倍車長(zhǎng)，距車兩側(cè)為5倍車寬，距車頂為5 倍車高。

圖1 養(yǎng)蜂車實(shí)物圖

圖2 仿真計(jì)算模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

養(yǎng)蜂車在行駛過程中的速度一般在20 km/h 至100 km/h 之間，遠(yuǎn)低于0.3 個(gè)馬赫數(shù)，因此養(yǎng)蜂車周圍可視為三維不可壓縮黏性流場(chǎng)[9]。采用RNG k-ε 兩方程模型進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流控制方程如下：

式中：div(ρVφ)為對(duì)流項(xiàng)；ρ 為空氣密度；V 為速度；φ 為通量；div(Γgradφ)為擴(kuò)散項(xiàng)；Γ 為擴(kuò)散系數(shù)；S 為源項(xiàng)。

控制方程包含著連續(xù)性方程，動(dòng)量方程，能量方程，k 方程和ε 方程。其中RNG k-ε 模型的湍動(dòng)能k和湍流耗散ε 的輸運(yùn)方程分別為：

式中：Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb表示由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；YM在表示可壓縮流動(dòng)中，湍流脈動(dòng)膨脹到全局流程中對(duì)耗散率的貢獻(xiàn)項(xiàng)；C1，C2，C3是常量；σk和σε是k 方程和ε 方程的湍流Prandtl 數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的湍動(dòng)能項(xiàng)和湍流耗散源項(xiàng)。

2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

由于養(yǎng)蜂車外形較為復(fù)雜，但計(jì)算域十分規(guī)整，因此為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，控制網(wǎng)格數(shù)目，采用混合網(wǎng)格生成策略。在ICEM CFD 軟件中將整體計(jì)算域分為內(nèi)外兩個(gè)，內(nèi)部靠近養(yǎng)蜂車的小計(jì)算域用來劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，計(jì)算域尺寸為車前0.5 倍車長(zhǎng)，車后1 倍車長(zhǎng)，側(cè)面0.5 倍車寬，上部1 倍車高，在這部分中，由于車輪與地面接觸處尺寸的變化較大，若將車輪處理成圓柱，則會(huì)引起車輪與地面接觸處網(wǎng)格的畸變，影響網(wǎng)格的整體質(zhì)量，因此本文將車輪處理成如圖3 所示，可以很好的解決這一問題[10]。余下區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性，分別劃分了粗、中、密三種精度的網(wǎng)格，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證選取了中等數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。最終生成的網(wǎng)格如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent 中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，邊界條件設(shè)置如下：入口為速度入口，根據(jù)養(yǎng)蜂車運(yùn)行特點(diǎn)，速度選擇20 m/s，出口為壓力出口，內(nèi)外計(jì)算域的交界面為interior 邊界，對(duì)稱面為對(duì)稱邊界條件，其余壁面為無滑移壁面邊界。

3 CFD 方法驗(yàn)證

目前沒有關(guān)于養(yǎng)蜂車流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且無進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的條件，因而無法對(duì)養(yǎng)蜂CFD 仿真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但Abdullah M.Al-Garni 等人[11]曾針對(duì)皮卡車縮比模型進(jìn)行過三種不同雷諾數(shù)的PIV 實(shí)驗(yàn)。因此可以通過采用與上文養(yǎng)蜂車數(shù)值仿真相同的方法進(jìn)行皮卡車模型的建立、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置。將模擬結(jié)果與PIV 實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，以此來驗(yàn)證CFD 仿真方法的可靠性，這里選擇與Re=850000 時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比。圖4 為皮卡車半車身模型尺寸為：長(zhǎng)為432 mm、寬76 m、高148.8 mm。

圖4 皮卡車半車身模型

皮卡車縮比模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比顯示：CFD 仿真方法預(yù)測(cè)結(jié)果與PIV 實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖存在一定的差距，但由圖5 可看出二者Cp的變化趨勢(shì)相同，尾門內(nèi)外Cp的最大相對(duì)誤差分別為12%和28%。說明本文所采用的CFD 數(shù)值仿真方法合理可靠，可用于養(yǎng)蜂車流場(chǎng)分析。

圖5 尾門內(nèi)外壓力系數(shù)對(duì)比

4 計(jì)算結(jié)果分析和對(duì)比

養(yǎng)蜂車在行駛過程中會(huì)產(chǎn)生許多渦旋，這些渦旋不僅會(huì)對(duì)車輛的能耗有消極影響[9]。有些還會(huì)引起車廂區(qū)域熱量堆積、使車廂的空氣流通性變差，并會(huì)對(duì)蜜蜂的生存構(gòu)成威脅。

4.1 養(yǎng)蜂車流場(chǎng)特性分析

如圖6 縱向?qū)ΨQ面流線圖所示，入口處的氣流流經(jīng)養(yǎng)蜂車前端時(shí)由于汽車前臉的阻滯發(fā)生分離。一部分經(jīng)過駕駛室、整流罩和生活間向后方流去。另一部分經(jīng)過車底向后流去。上方的氣流到達(dá)生活間與車廂區(qū)域的交界點(diǎn)時(shí)，由于此處轉(zhuǎn)折過于明顯，導(dǎo)致氣流無法繼續(xù)貼合模型表面流動(dòng)，從而氣流在此處發(fā)生分離。分離的氣流一部分往下方偏曲并繼續(xù)往后流動(dòng)，在到達(dá)尾部擋板時(shí)再次發(fā)生分離。另一部分則在人行走道區(qū)域生成一個(gè)順時(shí)針的占據(jù)人行走道大部分區(qū)域的渦旋。下方通過車底的氣流在到達(dá)車尾部擋板時(shí)匯入上部氣流，在尾部擋板后生成了一個(gè)較小的順時(shí)針渦旋。這些渦旋的存在不僅會(huì)對(duì)汽車的能耗有影響，而且還會(huì)影響?zhàn)B蜂車車廂區(qū)域的熱環(huán)境，對(duì)蜜蜂的正常生存產(chǎn)生影響。

圖6 縱向?qū)ΨQ面流線圖

圖7、圖8 分別為縱向?qū)ΨQ面的壓力云圖和速度云圖，由這兩幅圖可以看出養(yǎng)蜂車前臉處于正壓區(qū)，這是因?yàn)榍澳槍?duì)氣流的阻滯作用使得來流的速度降低、壓力隨之升高。養(yǎng)蜂車的整流罩具有弧度，起到引導(dǎo)氣流的作用，因此氣流得以平穩(wěn)過渡至整流罩與生活間的連接處，在這個(gè)連接處氣流由于速度較高、且存在剝離現(xiàn)象，因此出現(xiàn)負(fù)壓。還可以看出養(yǎng)蜂車車廂區(qū)域及車尾處存在較大的負(fù)壓區(qū)，且人行走道區(qū)域的速度存在負(fù)值，這是因?yàn)檐噹拔膊看嬖跍u流，流動(dòng)情況復(fù)雜。養(yǎng)蜂車前臉的正壓和尾部的負(fù)壓形成了壓差阻力，這是影響汽車能耗的重要因素。根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算出有后擋板時(shí)養(yǎng)蜂車的空氣阻力系數(shù)約為0.68，處于目前貨車該系數(shù)參考值0.6～0.8 范圍之內(nèi)[12]。

圖7 縱向?qū)ΨQ面壓力云圖

圖8 縱向?qū)ΨQ面速度云圖

4.2 有/無擋板養(yǎng)蜂車流場(chǎng)特性對(duì)比分析

考慮到后擋板在養(yǎng)蜂車運(yùn)輸過程中可能會(huì)阻礙人行走道區(qū)域的空氣流動(dòng)，加上空氣流通性對(duì)于蜜蜂的生存有著較大的影響，所以進(jìn)行了無后擋板情況下的養(yǎng)蜂車流場(chǎng)數(shù)值仿真。將有/無擋板模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析有/無后擋板對(duì)流場(chǎng)的影響。

無后擋板時(shí)，遠(yuǎn)處來流也在遇到養(yǎng)蜂車阻滯時(shí)發(fā)生分離而形成渦流區(qū)。如圖9 所示，來流因受前臉阻滯分成兩股，一股往上經(jīng)擋風(fēng)玻璃、整流罩及生活間流向后方，在生活間末端因模型存在轉(zhuǎn)折，氣流突然失去限制，從而形成了剪切層，產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，在人行走道區(qū)域形成一個(gè)較大的順時(shí)針渦旋；另外一股氣流由車底流出，在壓差的作用下形成逆時(shí)針渦旋。

圖9 縱向?qū)ΨQ面流線圖（無擋板）

通過對(duì)無后擋板情況下的流場(chǎng)分析我們可以發(fā)現(xiàn)其與有擋板時(shí)存在如下差異：無后擋板時(shí)人行走道的順時(shí)針渦旋的中心往后偏移，這對(duì)于人行走道區(qū)域熱環(huán)境的改善有積極影響。后擋板處渦旋的方向存在差異，有后擋板時(shí)為順時(shí)針，無后擋板時(shí)為逆時(shí)針。這是因?yàn)楹髶醢宕嬖跁r(shí)，其上方氣流再次發(fā)生分離形成剪切層，加上壓差的作用使得此處形成順時(shí)針渦旋。

圖10、圖11 分別為無后擋板時(shí)縱向?qū)ΨQ面的壓力云圖和速度云圖。通過與有擋板時(shí)養(yǎng)蜂車壓力云圖和速度云圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：雖然二者均在車廂區(qū)域產(chǎn)生了面積較大的負(fù)壓區(qū)，但是通過對(duì)比可以得出：無后擋板時(shí)車廂區(qū)域負(fù)壓區(qū)總體壓強(qiáng)絕對(duì)值小于有后擋板時(shí)的壓強(qiáng)，無后擋板時(shí)壓強(qiáng)分布均勻統(tǒng)一，但無后擋板時(shí)的前后壓差較大。對(duì)比速度云圖發(fā)現(xiàn)有擋板時(shí)車廂區(qū)域流場(chǎng)更為復(fù)雜，速度變化大。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果計(jì)算出無后擋板時(shí)的養(yǎng)蜂車空氣阻力系數(shù)約為0.71，該值比有后擋板時(shí)偏大。

圖10 縱向?qū)ΨQ面壓力云圖（無后擋板）

圖11 縱向?qū)ΨQ面速度云圖（無后擋板）

圖12、圖13 分別為有擋板、無擋板時(shí)，縱向?qū)ΨQ面上養(yǎng)蜂車前后風(fēng)速沿高度方向的變化情況。由圖12、13 對(duì)比分析可知：在氣流未到達(dá)養(yǎng)蜂車時(shí)，有擋板和無擋板前部的風(fēng)速廓線基本吻合，二者均是從0 開始，先上升、再大體上保持不變、最后下降至0。這是因?yàn)闅饬髟谟?jì)算域上下表面形成邊界層。有后擋板和無后擋板對(duì)比發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)蜂車后部風(fēng)速廓線在0-4 m 高度范圍內(nèi)存在較大差異。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，有后擋板和無后擋板的尾部流場(chǎng)存在較大差異。養(yǎng)蜂車前部和后部速度廓線大體上吻合，差異主要出現(xiàn)在高度為0～4 m 范圍內(nèi)，這是因?yàn)轲B(yǎng)蜂車對(duì)氣流的阻滯作用，使得養(yǎng)蜂車尾部流動(dòng)情況復(fù)雜。

圖12 有后擋板時(shí)風(fēng)速廓線

圖13 無后擋板時(shí)風(fēng)速廓線

5 結(jié)論

在CFD 仿真方法驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，運(yùn)用此方法對(duì)養(yǎng)蜂車的流場(chǎng)進(jìn)行分析研究。研究結(jié)果表明：

1）有/無后擋板情況下養(yǎng)蜂車的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)在養(yǎng)蜂車前端及兩側(cè)大致相同。但車廂區(qū)域二者存在差異，無后擋板時(shí)渦旋向車廂外部偏移，有利于車廂區(qū)域的通風(fēng)散熱。在考慮到養(yǎng)蜂車是以保障蜜蜂正常生存為基本準(zhǔn)則時(shí)，無后擋板顯然對(duì)蜜蜂的生存更加有利。

2）有/無后擋板情況下養(yǎng)蜂車阻力系數(shù)不同，有擋板的阻力系數(shù)要略低于無擋板。這時(shí)由于無后擋板時(shí)，養(yǎng)蜂車尾部空氣流動(dòng)情況更為復(fù)雜。

3）有/ 無后擋板情況下，距養(yǎng)蜂車前、后分別為4 m 時(shí)的風(fēng)速廓線存在差異。這也反映出二者的流場(chǎng)的不同，無后擋板時(shí)尾部流動(dòng)更為復(fù)雜。