某重型卡車車身側(cè)面泥水飛濺污染的研究與控制

摘 要：針對(duì)某重型卡車車身側(cè)面泥水飛濺污染的問題，建立其空氣動(dòng)力學(xué)仿真模型，采用外流場(chǎng)耦合液相的方法開展了仿真分析。根據(jù)原車的污染情況及流場(chǎng)特點(diǎn)提出了優(yōu)化包角板擾流結(jié)構(gòu)、增加輪眉及優(yōu)化前保結(jié)構(gòu)三個(gè)優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明：三個(gè)優(yōu)化方案均能有效的改善駕駛室側(cè)面污染。并對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，增加輪眉方案可有效的改善駕駛室側(cè)面及關(guān)鍵的門把手區(qū)域的污染。本研究為該車型防污性能的提升及新車型的開發(fā)提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：卡車車身；汽車外流場(chǎng)；泥水飛濺污染；仿真分析

中圖分類號(hào)：U472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2024）04-0063-05

Study and Control of Mud-Water Splashing Pollution on The Side of Truck Cab

LI Guang-sheng， LI Cheng， LI Jun， XU Cheng

（ Dongfeng Liu Zhou Motor Co.， Ltd， Liuzhou 545005， China）

Abstract： Aiming at the problem of mud splashing pollution on the side of the cab of a heavy truck， an aerodynamic simulation model was established and the simulation analysis was carried out using the method of coupling the outflow field with the liquid phase. According to the pollution condition of the original car and the characteristics of the flow field， three optimization schemes were put forward： optimizing the turbulence structure of the corner plate， adding the wheel eyebrow and optimizing the front protection structure.The simulation results show that the three optimization schemes can effectively improve the cab side pollution.The optimization scheme is verified by experiments， adding wheel eyebrow scheme can effectively improve the pollution of cab side and key door handle area.This study provides an important reference for the improvement of anti-pollution performance of this vehicle and the development of new vehicles.

Key Words： Truck Cab; Auto Mobile Outflow Field; Mud-Water Splashing Pollution; Simulation Analysis

前 言

重型卡車具有體型大、使用工況差、部件間相對(duì)位移大等特點(diǎn)，車輪高速碾壓路面泥水形成水霧，車輪的高速旋轉(zhuǎn)將水霧甩起撞擊擋泥板、輪罩后破碎成尺寸更小的水霧，水霧粘附到車身表面，污染車身側(cè)面及門把手，影響上下車便利性及外觀清潔度[1]。經(jīng)過調(diào)查及對(duì)比，重型卡車車身側(cè)圍及門把手泥水污染在行業(yè)內(nèi)是一個(gè)普遍現(xiàn)象，如果泥水甩起后飛濺到側(cè)窗、后視鏡等位置，甚至?xí)绊懙叫熊嚢踩?，如圖1：

由于重卡泥水污染的產(chǎn)生機(jī)理較為復(fù)雜，涉及到液滴的飛濺、破碎及附著等多種因素。如何解決車身側(cè)圍及門把手區(qū)域污染一直是行業(yè)內(nèi)的一個(gè)難題。辛俐等人[2-3]采用DPM離散相和歐拉液膜模型相結(jié)合的方法，對(duì)方背式MIRA模型的車輪濺水污染問題進(jìn)行了研究，得到了車輪濺水導(dǎo)致的車身表面污染分布云圖，分析了車身的污染機(jī)理，并對(duì)車身外形進(jìn)行改進(jìn)，一定程度改善了車身污染問題。A.Kabanovs等人[4]利用Spalart-Allmaras模型和歐拉-拉格朗日方法（DPM）相結(jié)合的方案，模擬了車輪濺水對(duì)車身表面的污染過程，發(fā)現(xiàn)完全非定常仿真方法與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較為吻合。

本文針對(duì)某重型卡車身側(cè)面的泥水污染問題，采用流體分析軟件進(jìn)行外流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)仿真，再將流場(chǎng)仿真結(jié)果及模型導(dǎo)入水管理分析軟件進(jìn)行液相瞬態(tài)耦合分析，通過仿真復(fù)現(xiàn)了污染表現(xiàn)，并進(jìn)而對(duì)該車型的車身污染問題進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)社會(huì)道路實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案有效的改善了該車型的車身污染。研究成果不僅為該車車身表面污染問題的整改提供了行之有效的解決方案，同時(shí)也為新車型如何提高車身防污性能提供參考。

1 模型建立及邊界條件

1.1 外流場(chǎng)模型建立

首先建立整車外流場(chǎng)模型，包含車身、車輪、后視鏡及其他覆蓋件的1：1幾何模型。由于輪胎花紋對(duì)車輪泥水飛濺的結(jié)果有較大的影響，故在模型簡化處理的過程中，輪胎需保留其花紋。建立外流場(chǎng)計(jì)算域，入口距車前端３倍車長，出口距車后端5倍車長，寬為７倍車寬，高為５倍車高，如圖2所示。這部分工作可以與風(fēng)阻優(yōu)化等工作一并完成。

1.2 湍流模型及邊界設(shè)置

（1）車身外流場(chǎng)的準(zhǔn)確求解很大程度上決定了污染仿真結(jié)果的精度。SST k-ω模型綜合了k-ω模型和k-ε模型的優(yōu)點(diǎn)，通過混合函數(shù)實(shí)現(xiàn)近壁區(qū)等價(jià)于k-ω模型，而在遠(yuǎn)離壁面區(qū)域轉(zhuǎn)換為k-ε模型。該模型對(duì)于邊界層的分離現(xiàn)象預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確，在汽車外流場(chǎng)的仿真中有著突出的表現(xiàn)，并且經(jīng)過多年工程應(yīng)用，也有了較大改進(jìn)和發(fā)展[5-6]。因此，本文選用SST k-ω來求解流場(chǎng)中的湍流流動(dòng)。

（2） 外流場(chǎng)入口邊界設(shè)為速度入口，其值為90km/h；出口邊界設(shè)為壓力出口，壓力值為0Pa；地面為移動(dòng)邊界，移動(dòng)速度與車速一致；輪胎壁面設(shè)成局部旋轉(zhuǎn)壁面，根據(jù)車速及輪胎滾動(dòng)半徑計(jì)算出輪胎旋轉(zhuǎn)角速度為48.5r/s；其他壁面均設(shè)為滑移邊界。

（3）基于外流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算的結(jié)果，在水管理軟件中耦合外流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，設(shè)置設(shè)水池長度為70米，路面積水層厚度設(shè)置為30mm，液滴顆粒直徑為5mm，采用隱式算法求解液相在駕駛室側(cè)面的附著情況。

1.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

目前，國內(nèi)外商用車車身泥水飛濺污染還沒有相對(duì)成熟的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[7]。無論是開發(fā)前期的性能分解，還是實(shí)車階段的測(cè)試評(píng)價(jià)，都難以進(jìn)行量化的判斷。本文首先將駕駛室側(cè)面進(jìn)行區(qū)域的劃分，分為關(guān)鍵區(qū)域和非關(guān)鍵區(qū)域。其中后視鏡、車窗和門把手等3個(gè)區(qū)域?qū)︸{駛員行車安全及上、下車便利性影響較大，故定義為關(guān)鍵區(qū)域；除此之外的車門、側(cè)圍、側(cè)導(dǎo)流罩、車門護(hù)板、翼子板、上車踏板等僅影響車輛美觀度的區(qū)域，定義為非關(guān)鍵區(qū)域。同時(shí)為了便于后續(xù)的對(duì)比，對(duì)部分面積較大的區(qū)域做了進(jìn)一步的細(xì)分，最終共分為9個(gè)區(qū)域，如圖3所示。通過監(jiān)控和對(duì)比各個(gè)區(qū)域內(nèi)受污染的面積占該區(qū)域總面積的百分比，來衡量對(duì)應(yīng)區(qū)域的受污染程度，進(jìn)而給出不同設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣性判斷。

2 原車仿真分析及驗(yàn)證

2.1 原車仿真結(jié)果分析

從原車的外流場(chǎng)分析結(jié)果可以清晰的發(fā)現(xiàn)該車型存在較明顯的車身污染風(fēng)險(xiǎn)。如圖4展示的壓力等值面示意圖顯示，車身的兩側(cè)的負(fù)壓區(qū)域較大，可以判斷氣流流過前臉邊緣時(shí)流動(dòng)分離較為明顯，無法較好的利用車身兩側(cè)的高速氣流壓制車輪甩起的泥水污染物。如圖5展示的車身側(cè)面污染物軌跡示意圖顯示，該車型駕駛室側(cè)面泥水污染較嚴(yán)重，除污染了門把手關(guān)鍵區(qū)域外，車門護(hù)板、翼子板、腳踏板、側(cè)圍、側(cè)導(dǎo)流罩均被泥水嚴(yán)重污染。

2.2 實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析的精度，選擇一輛與仿真模型配置、布置完全一致的車輛，雨后在較為平直且臟污的城市外環(huán)道路上開展測(cè)試驗(yàn)證。車輛以80km/h的車速勻速行駛約2個(gè)小時(shí)，測(cè)試完成待水漬干透后拍照記錄。原車污染軌跡測(cè)試結(jié)果如圖6所示：

當(dāng)前的測(cè)量方法雖然難以對(duì)泥水污染結(jié)果進(jìn)行量化，但可以直觀的展示出駕駛室側(cè)面的污染區(qū)域，并通過顏色的深淺對(duì)污染程度做出主觀判斷。通過對(duì)比圖5和圖6，仿真與試驗(yàn)結(jié)果在駕駛室側(cè)面污染物分布情況一致性較高，各區(qū)域的污染程度也基本相當(dāng)，認(rèn)為仿真精度滿足工程化應(yīng)用要求。

3 優(yōu)化方案仿真分析及驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化方案

從實(shí)車測(cè)試結(jié)果可以看出，關(guān)鍵區(qū)域后視鏡和車窗位置未被污染，有效的保證了駕駛員的行車安全。但是關(guān)鍵區(qū)域門把手位置已被泥水污染覆蓋。而且車門護(hù)板、翼子板及側(cè)圍等非關(guān)鍵區(qū)域也有較明顯污染。將會(huì)嚴(yán)重影響駕駛員上、下車便利性及車輛的美觀度，該車的防污性能仍有較大的改善空間。

本文基于污染產(chǎn)生的機(jī)理，從氣流疏導(dǎo)及污染物遮擋兩個(gè)維度分別制定了優(yōu)化包角板、增加輪眉、優(yōu)化前保造型等三個(gè)優(yōu)化措施。

（1）優(yōu)化包角板

優(yōu)化包角板方案主要是增加包角板擾流板的長度及進(jìn)風(fēng)口寬度、增加擾流板的片數(shù)、減小擾流板的厚度，旨在優(yōu)化包角板出風(fēng)的流向及增大出風(fēng)速度。方案如表1及圖7所示：

（2）增加輪眉

增加輪眉則是在翼子板邊緣增加外突寬度為30mm的輪眉，通過增加左右方向的尺寸來遮擋車輪甩起的泥水污染物。方案如圖8所示。

（3）優(yōu)化前保造型

優(yōu)化前保造型方案則是去掉前保兩側(cè)車燈附近的凹坑造型，采用平滑過渡曲面進(jìn)行覆蓋，改變流過前保邊緣的氣流導(dǎo)向，減少駕駛室側(cè)面的流動(dòng)分離。方案如圖8所示：

3.2 優(yōu)化方案泥水飛濺污染仿真結(jié)果分析

如圖9原車與各優(yōu)化方案污染軌跡對(duì)比、表2各方案各區(qū)域污染面積百分百統(tǒng)計(jì)所示，3個(gè)優(yōu)化方案對(duì)車身側(cè)面的污染均有一定程度的改善。具體情況如下：

（1）總體效果優(yōu)化前保造型方案效果最優(yōu)，增加輪眉方案次之。

（2）門把手區(qū)域的污染在增加輪眉及優(yōu)化前保造型兩個(gè)方案上均有了較大的改善，門把手的污染百分比從原車的7.2%下降至1.1%和2.5%。

（3）優(yōu)化前保造型方案在車門及護(hù)板、側(cè)圍及側(cè)導(dǎo)流罩區(qū)域污染區(qū)域面積及污染程度上均有了較大的改善。

3.3 測(cè)試驗(yàn)證

由于從駕駛員最關(guān)心的門把手區(qū)域的污染改善效果出發(fā)，增加輪眉方案更優(yōu)。且另外2個(gè)方案設(shè)計(jì)更改涉及到包角板、前保、燈具的模具更改，需較高的時(shí)間及經(jīng)濟(jì)投入，因此本文最終選擇了增加輪眉方案作為該車的優(yōu)化措施，并試制樣件進(jìn)行裝車試驗(yàn)。

為了確保在相同測(cè)試條件下完成測(cè)試驗(yàn)證，在車輛的左側(cè)加裝輪眉，右側(cè)保持原車狀態(tài)。同樣選擇首次試驗(yàn)時(shí)的測(cè)試路段進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。由于天氣條件影響，本次試驗(yàn)最終污染程度不及首次試驗(yàn)。但通過左右兩側(cè)的污染軌跡對(duì)比，足以識(shí)別出增加輪眉結(jié)構(gòu)對(duì)改善車門、門把手、側(cè)圍及翼子板區(qū)域的泥水污染效果明顯。其中圖10為右側(cè)車身（未加裝輪眉）的污染情況，圖11為左側(cè)車身（加裝輪眉）的污染情況。

4 結(jié)論

（1）本文通過對(duì)某重型卡車的整車外流場(chǎng)及泥水飛濺污染情況進(jìn)行仿真分析，識(shí)別出存在的泥水飛濺污染風(fēng)險(xiǎn)。并通過實(shí)車測(cè)試，證實(shí)了仿真分析的結(jié)論。驗(yàn)證了仿真分析方法及分析精度能夠滿足工程應(yīng)用需求；

（2）根據(jù)原車的流場(chǎng)特點(diǎn)提出的優(yōu)化包角板、增加輪眉和優(yōu)化前保造型等三個(gè)優(yōu)化措施，通過仿真確認(rèn)方案對(duì)駕駛室側(cè)面污染均有一定程度的改善。其中，增加輪眉對(duì)改善門把手關(guān)鍵區(qū)域的污染效果明顯，前保優(yōu)化方案在車門及護(hù)板、側(cè)圍及側(cè)導(dǎo)流罩區(qū)域污染區(qū)域面積及污染程度上均有了較大的改善。并最終綜合實(shí)施便利性選擇增加輪眉方案進(jìn)行了實(shí)車驗(yàn)證，證實(shí)了改善效果。

（3）本研究為重型卡車的車身防污性能的提升及新車型的開發(fā)提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

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栗廣生

畢業(yè)于廣西科技大學(xué)，研究生學(xué)歷?，F(xiàn)就職于東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，任設(shè)計(jì)師，主要從事整車性能集成開發(fā)和CAE虛擬仿真研究工作，已發(fā)表論文及授權(quán)發(fā)明專利十余項(xiàng)。

專家推薦語

周菊紅

東風(fēng)商用車技術(shù)中心

車身設(shè)計(jì)總師 研究員級(jí)高級(jí)工程師

重型卡車開發(fā)過程中經(jīng)常遇到車身側(cè)面泥水飛濺污染的問題，由于該問題產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，解決起來往往耗費(fèi)較多的工時(shí)，周期比較長，本文借助外流場(chǎng)仿真分析手段，對(duì)比出了三個(gè)改善方案的優(yōu)化效果，又采用了與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方式，驗(yàn)證出改善卡車側(cè)面防污染，具有很好的借鑒和推廣價(jià)值。