城市客車行駛狀態(tài)車身表面污染仿真與優(yōu)化

羅雪香，許 哲，李宏鋒，邱鴻毅

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023)

作為城市主要交通工具之一的城市客車，其表面美觀性直接影響城市容貌和乘客體驗感，其后視鏡及各種電子攝像頭的清晰度直接影響駕駛安全性。國外對車身表面污染問題研究較早，尤其對雨水污染研究較多。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚，針對客車表面污染的研究更少。本文采用CFD方法仿真分析某城市客車在行駛時其表面塵土污染分布規(guī)律，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，改善車身受污染程度。

1 仿真模型建立

本文基于Star-CCM+軟件對某城市客車車身表面塵土污染機理進行仿真分析。軟件中采用SST k-ω模型分析計算空氣外流場；在此基礎(chǔ)上采用歐拉-拉格朗日方法求解污染物顆粒的運動軌跡及其在車身表面的分布規(guī)律。

1.1 模型網(wǎng)格劃分

首先建立包含車身、車輪、后視鏡及其他覆蓋件的1∶1幾何模型。然后建立外流場計算域，入口距車前端3倍車長，出口距車后端7倍車長，寬為 7倍車寬，高為 5倍車高，如圖1所示。

圖1 車輛幾何模型及外流場計算域

計算網(wǎng)格劃分如圖2所示。保證網(wǎng)格沒有自由邊，沒有重復(fù)單元，最小角度大于20°，且所有網(wǎng)格單元法向保持一致。

(a)6層棱柱體網(wǎng)格

1)車體表面采用三角形面網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為后視鏡4 mm,A柱10 mm,輪胎10 mm,其他區(qū)域25 mm。

2)車體外計算域第一層網(wǎng)格，基于車體表面網(wǎng)格向外拉伸出高度為1.5 mm的三棱柱體網(wǎng)格。

3)車體外計算域第二層網(wǎng)格，在第一層三棱柱網(wǎng)格基礎(chǔ)上按1.2倍增長比拉伸出高度為1.8 mm的三棱柱網(wǎng)格。

4)車體外計算域第三層網(wǎng)格，在第二層三棱柱網(wǎng)格基礎(chǔ)上按1.2倍增長比拉伸出高度為2.16 mm的三棱柱體網(wǎng)格。

5)車體外計算域第四～六層網(wǎng)格，分別在上一層三棱柱體網(wǎng)格基礎(chǔ)上都按1.2倍增長比拉伸出相應(yīng)高度(分別為2.59 mm、3.11 mm、3.73 mm)的三棱柱體網(wǎng)格。

6)在第六層網(wǎng)格基礎(chǔ)上向外層計算域生成六面體過渡區(qū)，以2倍增長速率增長4次，直至網(wǎng)格尺寸達到400 mm，共生成15層網(wǎng)格。

7)在過渡區(qū)外邊界與外層計算域邊界之間的區(qū)域采用400 mm六面體網(wǎng)格進行單元劃分。

1.2 邊界條件

本文考察客車行駛過程中輪胎卷起的塵土顆粒在前方空氣來流的作用下沿著側(cè)圍運動并粘附在側(cè)圍和后圍上的情況。仿真分析分兩步進行：首先對空氣連續(xù)相進行穩(wěn)態(tài)計算，為瞬態(tài)計算提供穩(wěn)定的初始流場，提高收斂性；再基于穩(wěn)態(tài)流場加入顆粒相進行瞬態(tài)計算，獲得污染顆粒運動軌跡及其在車身表面的沉積分布。

1)空氣相的入口邊界設(shè)為速度入口，其值為60 km/h；出口邊界設(shè)為壓力出口，其值設(shè)為0 Pa；地面為移動邊界，速度與車速相同，方向相反；輪胎壁面設(shè)成旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為397 r/min(用車速60 km/h換算得到輪胎轉(zhuǎn)速)；其他壁面均設(shè)為不可移動邊界。

2)在空氣相穩(wěn)態(tài)計算達到收斂的基礎(chǔ)上，通過噴射器將塵土顆粒導(dǎo)入求解域，繼續(xù)瞬態(tài)計算。本文將輪胎胎面作為塵土顆粒入射源；顆粒設(shè)為球形，顆粒直徑符合Rosin-Rammler分布，最大直徑為0.6 mm，中等直徑尺寸為0.165 mm，最小直徑尺寸為0.025 mm；塵土顆粒入射速度為輪胎旋轉(zhuǎn)時的胎面線速度19.7 m/s。顆粒相在計算域入口的邊界設(shè)為逃逸，在車身壁面處的邊界設(shè)為粘附。

2 仿真結(jié)果及驗證

2.1 側(cè)圍污染仿真結(jié)果

根據(jù)1.1節(jié)仿真模型和1.2節(jié)邊界條件建立的客車行駛時空氣相流場(前方來流在車身周圍形成的流場)如圖3所示。客車行駛時車輪卷起的塵土顆粒在該空氣流作用下沿著側(cè)圍的運動軌跡如圖4(a)所示；此運動中的塵土顆粒在圖3中的空氣相壓力梯度作用下粘附在側(cè)圍上的情況如圖4(b)所示。

(a)車身周圍空氣流線

(a)側(cè)圍顆粒運動軌跡

從圖4(b)可以看出，側(cè)圍污染區(qū)域主要集中在前后輪之間以及后輪上后方。為衡量污染程度，通過定義側(cè)圍污染面積占整個側(cè)圍面積的比例進行判定。該比值可通過計算側(cè)圍污染區(qū)域圖像像素與整個側(cè)圍圖像像素之比得到，即側(cè)圍的污染面積占比===33 997/99 698=34.1%。

2.2 后圍污染仿真結(jié)果

同樣，客車行駛過程中輪胎卷起的塵土顆粒沿側(cè)圍和底盤運動至車尾后，在圖3所示的尾部氣流場作用下，在后圍上的運動軌跡如圖5(a)所示。這些運動的塵土顆粒在尾部空氣相壓力梯度作用下沉積在后圍上的情況如圖5(b)所示。

(a)后圍顆粒運動軌跡

從圖5(b)可以看出，其后圍中下部艙門的污染程度比其上部擋風(fēng)玻璃更嚴重，污染物由后圍中間區(qū)域呈發(fā)射狀分散至四周。按照2.1中側(cè)圍污染區(qū)域面積占比算法計算得到后擋風(fēng)玻璃污染面積占比為==24 325/55 936=43.5%，后艙門污染面積占比為==61 671/90 720=68%。

2.3 測試驗證

測試車輛外形及邊界條件與仿真分析一致，選擇平坦且具有一定濕度的臟污郊區(qū)路進行測試。車輛以60 km/h勻速通過路面，試驗結(jié)束后觀察車輪濺起的泥污在車身表面的分布并拍攝記錄。試驗結(jié)果如圖6所示，與圖4(b)、圖5(b)仿真結(jié)果污染物分布情況基本相同。由于測量條件有限，難以對路試結(jié)果進行定量標(biāo)定，因此路試結(jié)果僅作為定性對比驗證，只要污染物分布趨勢相同即可。由于路試過程中無法完全排除外界環(huán)境影響，且實車表面材質(zhì)狀態(tài)與仿真模型表面狀態(tài)也不完全一致以及攝像效果受光線影響,測試結(jié)果和仿真結(jié)果存在一定差異。

(a)側(cè)圍實測結(jié)果

3 防污優(yōu)化措施與結(jié)果分析

3.1 防污優(yōu)化措施

客車的空氣相流場特性影響塵土顆粒相的運動軌跡與沉積分布，而車身基本形狀直接影響空氣相流場。因此可通過優(yōu)化車身造型改善空氣相流場分布，進而改善車身污染情況。本文采取以下三項優(yōu)化措施，如圖7所示：

(a)增大A柱過渡圓孤半徑

1)磨平A柱尖銳凸棱并將過渡圓弧半徑由0 mm增大至100 mm，削弱氣流分離。

2)輪翼板下緣與輪胎胎面的垂向距離由150 mm減小到50 mm，降低輪腔內(nèi)的壓力。

3)取消后頂蓋凸臺，平滑連接頂蓋與后圍，減小尾渦。

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

3.2.1 優(yōu)化后空氣流場特性仿真結(jié)果

同時采取以上三項優(yōu)化措施后，再次進行仿真分析，分析結(jié)果顯示車身周圍的空氣相流場更加貼體順暢，局部區(qū)域渦流減弱甚至消失。

1)優(yōu)化前、后的側(cè)圍氣流場如圖8所示?？梢钥闯?，優(yōu)化前氣流由前圍繞過A柱時會發(fā)生嚴重分離，在側(cè)圍形成上下相反的兩個渦流區(qū)，導(dǎo)致側(cè)圍前半部分空氣相流速較小；優(yōu)化后側(cè)圍渦流區(qū)消失，且流速明顯增大。順暢的、流速大的氣流有利于沖刷掉粘附在側(cè)圍的泥污。

(a)優(yōu)化前

2)優(yōu)化前、后的前輪輪腔內(nèi)外壓力變化如圖9所示。優(yōu)化前輪腔內(nèi)2#監(jiān)測點壓力值為-88 Pa,輪口處6#監(jiān)測點的壓力為-45 Pa。優(yōu)化后輪腔內(nèi)2#監(jiān)測點的壓力下降了13.6%，輪口處6#監(jiān)測點的壓力上升了9.3%。即優(yōu)化后輪腔內(nèi)外壓差增大，可在一定程度上減少輪腔內(nèi)污穢物逸出。

(a)監(jiān)測點分布

3)優(yōu)化前、后的后圍氣流場如圖10所示。優(yōu)化前頂蓋尾部凸臺造成氣流分離，部分氣流呈上飄趨勢；優(yōu)化后氣流離開頂部后呈下壓趨勢，阻礙底部上卷的氣流，降低揚塵高度。

(a)優(yōu)化前

3.2.2 優(yōu)化后顆粒運動與沉積情況

優(yōu)化后塵土顆粒運動軌跡和塵土分布如圖11、12所示?？梢钥闯觯簝?yōu)化后前輪卷起的塵土顆粒逸出點向下、向后移，且塵土顆粒在側(cè)圍上的沉積高度降低；側(cè)圍污染面積占比由34.1%下降至18.8%，且濃度云圖標(biāo)尺顯示最大濃度值由5e-6 kg/m下降至4e-6 kg/m。

(a)優(yōu)化后側(cè)圍顆粒軌跡

(a)優(yōu)化后后圍顆粒軌跡

優(yōu)化后塵土顆粒在后圍揚起高度明顯下降，撞擊在擋風(fēng)玻璃中間區(qū)域的顆粒數(shù)量明顯減少；后擋風(fēng)玻璃污染面積所占比例由43.5%下降到12%，后艙門污染面積比例由68%下降到21.9%，控污效果明顯，且濃度云圖標(biāo)尺顯示最大濃度值由8e-6 kg/m下降至6e-6 kg/m。

4 結(jié)束語

本文針對某城市客車車身表面塵土污染問題，基于外流場采用歐拉-拉格朗日法仿真分析可再現(xiàn)車身周圍塵土顆粒運動軌跡和塵土污染分布，得出車身造型對外流場和污染物分布的影響情況。以此為基礎(chǔ)提出增大A柱過渡圓弧半徑、減小輪翼板下緣與胎面距離、平滑連接頂蓋與后圍的優(yōu)化措施，并進行了仿真分析，結(jié)果顯示塵土顆粒污染的控制效果明顯。