基于CFD的某微型客车背部尘土污染机理研究

廖志涛　汪怡平　李　浩

(武汉理工大学汽车学院1)　武汉　430070)　(一汽大众汽车有限公司2)　长春　130011)

基于CFD的某微型客车背部尘土污染机理研究

廖志涛1)汪怡平1)李浩2)

(武汉理工大学汽车学院1)武汉430070)(一汽大众汽车有限公司2)长春130011)

摘要：针对汽车车身尘土污染现象，介绍汽车表面污染的研究意义及现状.以某微型客车为研究对象，利用数值模拟方法研究车身周围的流场结构，分析引起背部尘土污染的因素并对背部尘土污染结果进行预测.采用Realizable k-ε湍流模型，以及DPM(离散相)模型，探讨尘土颗粒在流场中的受力情况，在朗格朗日坐标系下对颗粒运动微分方程积分得到其运动轨迹，从而揭示汽车表面污染的形成机理.针对微型客车背部污染形成机理，提出几种减少背部污染的措施.

关键词：表面污染；数值模拟；湍流；离散相；运动轨迹

0引言

随着道路条件的变化，以及人们对汽车乘坐舒适性要求的提高，汽车表面污染问题已经成为空气动力学的重要方面.汽车在使用过程中难免会接触泥水和尘土，如果汽车车身周围的流场结构不合理，随车身周围气流运动的泥土或者颗粒会附着在汽车表面，不仅影响美观，还会影响驾驶员视野，从而威胁行车安全[1].与此同时，汽车电子化的发展趋势使汽车装备越来越多的摄像设备，这些设备表面的清洁程度会影响设备的工作性能，以及乘客的舒适性[2].保持车身表面光洁，会降低洗车的频率，从而减少汽车的使用成本.因此，探究汽车行驶时周围的流场分布，分析车身表面的压力、速度分布，研究尘土粒子的运动轨迹，具有重要的意义.

随着汽车空气动力学的发展，汽车表面尘土污染已经成为越来越活跃的研究热点.2011年捷豹路虎公司的Adrian Gaylard用格子玻尔兹曼方法对轿车和SUV表面污染进行了数值模拟，揭示引起车身侧壁及背部污染因素.2013年美国EXA公司的Gaylard等[3]针对某SUV车型背部尘土污染问题进行风洞试验，在后处理过程中用紫外线染色剂显示背部污染物厚度，并辅以道路试验验证了数值模拟方法对结果预测的可靠性.2014年上汽通用五菱公司的Yang等[4]针对对五菱荣光底部结构进行空气动力学分析，对挡泥板优化设计和增加车身底部发动机盖，减小整车气动阻力和发动机遭受泥土污染的程度.2012和2014年，金益锋等[5-6]分别对某微型客车和SUV的车身污染及降低污染的措施进行了充分的探讨.

本文在前人研究的基础上建立一种有效的数值模拟方法，对某微型客车背部污染机理进行分析，为后续的相关研究提供一定的理论指导.

1汽车表面尘土污染概述

汽车在道路上行驶时，表面污染的来源有3种，见图1，根据污染来源的不同可以分为：雨水污染、外部污染和自身污染[7].本文研究的重点集中在汽车行驶过程中自身造成的污染.汽车的表面尘土污染程度与车身外形，以及道路条件有关，通过合理的外形设计可以减少汽车在行驶过程中的尘土污染程度.目前的研究方法主要有试验研究、理论分析，以及数值模拟等.

图1　造成汽车表面污染的3种来源

尘埃在车身粘附的过程主要分3个阶段：尘土扩散、传播和颗粒分离.车辆在道路上行驶时，车身周围的流场涉及湍流与多相流，并且这种复杂流动现象包含了气体、液体，以及固体悬浮颗粒等的参与，同时各相流动之间可能还存在耦合作用.要建立一套精确模拟车身周围流场的理论非常困难，因此针对具体问题进行适度的简化对问题本身具有非常重要的意义.本文研究微型客车背部尘土污染，做出如下假设:(1)考虑汽车在干燥路面条件下的车身表面污染问题，将车身周围的流场简化为气相与颗粒相混合的两相流动；(2)流场湍流流动是充分发展的，气相流场是无温差且恒定的；(3)颗粒相的体积分数小于10%，不考虑颗粒相之间的相互作用.

微型客车受车身设计及路面条件影响，其车身侧壁，以及背部非常容易遭受尘土的污染，其中背部是污染较为严重的区域.背部污染的来源主要有：(1)旋转的后车轮将地面上的尘土卷起，随着车身周围气流运动绕过C柱流向汽车背部形成污染；(2)由于车轮轮腔内外存在压力差，轮腔内的液滴或尘土颗粒受压差力作用进入到车身周围流场中，随气流进入车轮尾部区域形成污染；(3)进入底盘与地面间隙的气流携带着颗粒由于受空间和底盘部件的影响形成阻滞，从车身两侧或者车辆尾部溢出并向上流动，并附着在车身表面.

2数值模拟理论

2.1基本方程及湍流模型方程

汽车车速远低于声速，因此将汽车周围的流场看作三维不可压缩粘性等温流场，研究方法一般是采用雷诺时均的N-S方程.研究汽车表面尘土污染问题时，车身周围的流场除了满足连续性方程和N-S方程外，还必须满足湍流模型方程.Realizablek-ε湍流模型考虑了旋转和曲率对流动的影响，能有效模拟旋转剪切流、含有射流的自由流以及边界层流动等[8].本文采用Realizablek-ε湍流模型来分析汽车表面尘土污染.

2.2离散相动力学模型

在车身周围夹杂着颗粒的气流中，离散相的体积分数小于10%，因此采用拉格朗日方法对颗粒的轨迹进行追踪.汽车尘土污染研究中，颗粒的运动轨迹对尘土污染的程度至关重要，在拉氏坐标系下对颗粒作用力微分方程进行积分可以求解颗粒的轨迹.颗粒的作用力平衡方程(颗粒惯性=作用在颗粒上的各种力)在笛卡尔坐标系下的形式(X方向)为

(1)

式中：u为流体相的速度，m·s-1；up为颗粒相速度，m·s-1；ρ为流体密度，kg·m-3；ρp为颗粒密度，kg·m-3,FD(u-up)为颗粒的单位质量曳力，

(2)

在车身近壁面该力主要为由速度梯度引起的升力[10]：

(3)

其中:υ1/2为流体运动粘度；dp为颗粒直径；up′为颗粒下一点的速度；dij，dlk，dkl为流体变形速度张量[11]；K=2.894.本文研究汽车在干燥路面条件下行驶时的尘土污染问题，对尘土颗粒只考虑重力、气流阻力和流场速度梯度引起的升力.

3数值仿真计算

3.1计算模型的建立

本文以某微型客车为研究对象，在不影响计算精度的前提下，对三维数模进行适当的简化，忽略门把手、后视镜、雨刮器等附件，并对底盘进行平整化处理.为使来流均匀以及尾流充分发展，在确定计算域时使来流口距车身3倍车长，出流口距车尾7倍车长，左右各3倍车宽，计算域高度为5倍车高.仿真求解的计算域见图2.

图2　仿真求解的计算域

3.2网格划分

利用ANSYS ICEM CFD采用四面体和三棱柱的混合网格形式对计算区域进行网格划分，在车身附近利用密度盒进行加密处理，此处参数变化梯度较大；在参数变化梯度小的地方采用较稀疏的网格，节约计算资源，兼顾精度与计算效率；同时为满足壁面函数的要求，在车

身表面划分与车身表面平行的三棱柱网格来模拟附面层，网格划分完成后网格数量达500多万.

3.3边界条件设置以及求解

本论文采用基于压力的瞬态求解器，湍流模型为Realizablek-ε湍流模型，标准壁面函数，二阶迎风格式对控制方程进行离散化，压力-速度耦合方式为SIMPLE算法.边界条件设置见表1.

表1　边界条件参数设置

3.4离散相模型的设置

离散相模型参数包括离散相喷射口、初始条件、边界条件和介质属性等，这些参数的正确设置对汽车表面污染模拟的结果至关重要.根据造成微型客车背部污染的3方面的来源，本文进行数值计算时主要设置3个方面的离散相喷射口，轮胎喷射口、轮腔喷射口和底盘尾部离散相喷射口等.考虑到轮胎前1/4胎面携带的颗粒较少，并且携带的少量颗粒速度方向朝向地面，因此轮胎喷射口设置为3/4胎面.离散相喷射口见图3.

图3　离散相喷射口

离散相模型的参数设置是在set injection properties中完成的，对射流源的射入类型、颗粒的直径分布、射入位置以及速度等进行相关设置，仿真过程考虑离散相与连续相之间的耦合作用，采用面射流源的喷射方式，车轮喷射源、轮腔喷射源和底盘喷射源的质量流率分别为0.01，0.008和0.005 kg/s，具体参数设置见表2.

表2　离散相模型参数设置

离散相模型的边界条件有捕捉、逃逸、反弹和通过等[12]，对计算域入口和出口设置为逃逸，其余壁面设置为反弹，颗粒直径分布服从Rosin-rammler分布，最小粒子直径为3×10-5m，最大粒子直径5×10-4m，平均粒子直径为1.5×10-4m.

4汽车尾部污染分析

4.1尾部区域速度分布

后车轮及轮腔速度流线见图4，从图中可以清晰地看出轮胎和轮腔引起的气流经过汽车侧壁后部绕过制动灯进入车辆尾部流场区域，可以看到在车辆侧壁和尾部的气流分离区速度较高.因此，从后轮及轮腔喷射面射出的颗粒一方面加重了汽车侧壁后部区域的污染，另外一方面会随着气流进入尾部流场对汽车背部造成污染.

图4　后轮及轮腔喷射面速度流线图

底盘喷射面引起的速度流线见图5，气流经过底盘末端绕到尾部流场区域，携带在气流中的污染颗粒会随着气流沉积在车辆背部区域.为了更好地展示车身周围的流场结构，选取纵向对称面A-A和Z=0.5 m的截面，图6是纵向对称面内的速度矢量图，可以看到车辆尾部存在一个较大的气流低速区域，区域内存在两个向内地对称旋转的涡，携带着污染颗粒的气流随着下部的涡上卷，附着在汽车背部，进而形成表面污染.图7是Z=0.5 m的截面内速度矢量图，从图中可以看出尾部中央速度比两侧低，速度较低的区域内存在方向相反的涡，污染颗粒从两侧随气流向中央运动.

图5　底盘喷射面速度流线图

图6　纵向对称面速度矢量图

图7　Z=0.5 m截面内速度矢量图

4.2离散相颗粒的运动轨迹

图8为某一时刻从后车轮和轮腔射出的颗粒的轨迹图，从图中可以看出颗粒在车辆侧壁尾部浓度较高，并且部分颗粒随着时间的推移会随着气流向车辆尾部运动.为了更清晰地展示汽车背部污染的动态过程，图9截取了仿真过程中的4个时刻从底盘喷射口射出的粒子的轨迹图，可以看出从底盘喷射口射出的粒子是造成汽车背部污染的主要原因，随着仿真时间的不断推进，一方面更多的粒子从喷射面射出，另外一方面已经存在流场中的颗粒随着气流进入尾流区，并不断上卷，在t=0.09 s时后保险杠区域已经存在了明显污染，并且污染区域有向背部上方扩散的趋势.

图8　车轮及车腔颗粒轨迹追踪图

图9　底盘喷射面颗粒在4个不同时刻运动轨迹追踪图

4.3纵向对称面内的压强分布

图10为车辆尾部纵向对称面的压力分布云图，由图中可以看出大部分的区域的压强都比标准大气压小，并且压力从较远的位置到尾部不断减小，气流从车身顶部和底部汇集到尾部区域并形成低压的涡区，而且涡区的旋转使低压有向整个车身背部表面扩散的趋势，正是这种压力差及扩散作用使携带在气流中的尘埃沉积在背部车身表面，从而形成污染.

图10　纵向对称面内的压力分布云图

5结论

1) 由底盘喷射源射出的颗粒是造成汽车背部污染的主要原因，由于车身尾部存在涡流区，粒子随气流在此运动会发生翻卷并在压差和扩散的作用下附着在背部车身表面.

2) 从后车轮和轮腔射流源射出的颗粒一方面对汽车侧壁后部造成污染，另外一方面部分污染颗粒会随着气流进入尾流区，加重背部区域的污染.

3) 针对汽车背部污染的来源，一方面可以采取措施以减少进入地面间隙的气流，如安装扰流器和前挡板等装置；另外一方面可以将车顶的上边角倒圆或在车顶上边角安装导流片，以使从车顶流抑制底部流向上翻起并对后窗上的尘土进行冲刷.

参 考 文 献

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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

中图法分类号：U461.1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.035

廖志涛(1991- )：男，硕士生，主要研究领域为汽车空气动力学