Equipment Manufacturing Technology No.11,2020
某重型卡车扬尘污染CFD仿真分析与优化
赖凡，冯哲，栗广生，陆增俊，徐承
（东风柳车限，柳545000）
摘要：使用Lagrange多相流，建立重型卡车行驶过程中粉尘污染颗粒DPM离散计算模型，并通过对冷却系统关键部件中风扇叶片参数、护风罩结构参数进行优化分析，确定了治理扬尘最佳设计方案。经测试论证，优化方案实施后车辆扬尘基本消除，试验粉尘颗粒物扩散趋势与仿真计算结果基本一致，实现了从风扇源头对车辆扬尘污染进行有效治理，具有较大借鉴意义。
关键词：重型卡车；扬尘；PM10;CFD仿真
中图分类号：U469文献标识码:A文章编号：1672-545X（2020）!!-0!04-05
近年来，随着人们对车辆环保性能的要求不断提升，车辆引发的环境污染问题愈加受到关注。商用卡车因发动机马力大、行驶工况恶劣，在行驶过程中极易产生扬尘而对环境造成严重污染。PM10（又称为可吸入颗粒物）是车辆扬尘的主要污染物之一，可通过呼吸系统进入人体，对人体造成伤害，并加重呼吸
系统系统，给人们造成严重影。其中粒的pm2.5的面积大，表面富含Pb、As、Cr等重金属素，能进入人体
系统中，
车辆行驶过程中产生的扬尘，不污染环境，也对车辆性能产生大
⑴：尘面，，易引
生物污染，能力，严重引发
，通过而发动机
（2），尘进入车辆动，加动
，升
（3）尘易吸附于车身表面，影响车辆美观，严重引。
因，车辆扬尘问题，对环境污染、、提车辆用性面重要。
1扬尘产生及治理概述
扬尘颗粒按其运动形式分为推移质和悬移质：推移质是指PM>100在地面滚动、滑移以及跃
又回面动颗粒是指PM!100!&，随着场向上扩，可长时间浮在空气中的颗粒。车辆扬尘颗粒物包含
质两种问。
扬尘包括车轮扬尘、风扇扬尘、渣土物扬尘及他扬尘。商用卡车由于系统发大，需选配大直、大风风扇，且风扇度低，风扇转时风极易吹向面，道路面粉尘异常扬而产生“风扇扬尘”。风扇扬尘是商用卡车主要扬尘途之一，是本课题主要研究对象。
风扇扬尘产生主要受场，如
出风、出风向吹布，他外界因素如车辆行驶速度、载重、环境风速、道路面粉尘粉尘干湿度大。目前，普遍采取治理案为在车辆底盘安装风板，将吹向面向四周，缓吹地而引扬尘，但此种方案存在大弊端及局限性：
（1）系统空间限，车辆加装风板或加装车辆度，通过性变差，特别是对工程车辆大；
（2）导风板出风可能会二次吹向地面，治理效果限，完全消除扬尘；
（3）风扇出风受阻，出风不畅间接影响冷却系统性能，恶化；
（4）成本增加，风板一般为金属质件，整车重
收稿日期：2020-10-25
作者简介：赖凡（1985-），男，广西象州人，工程师，硕士学位，主要研究方向为商用车整车热管理与CFD分析。104
《装备制造技术＞2020年第11期
量会增加。
为消除安装导流板的弊端，本课题研究利用
CFD 仿真方法，从机舱流场入手，开展机舱气流管理 与优化分析，通过优化得到有效改善扬尘问题的解
决方案，并开展试验验证，以源头实现了风扇扬尘有 效治理，从而消除了导风板带来的弊端。
2
仿真模型建立
2.1理论基础
扬尘主要由于空气流动引发，空气流动受到连
续方程［7-8］、动量守恒定律及能量守恒定律的 咒
流动为流，要受流动方程 ％ 连续方程
"为流体密度为流体速度沿#方向的
分量。
动量守恒方程
能量守恒方程
⑶
汽车行驶，在 气压下，空气密度"/
1.205 kg/m 3，动力粘性系数“ =1.81 x 10-5 N-S/m 2，运
动 % = &p = 1.502 x 10-5 m 2/s 。汽车行驶速 为
30 km/h ,
/ = v /a = 30/(3.6 x 340)=
车辆的参
能与实际工况，设置
型
， 并指定各
区域 同的 理 与
物理值讥对其稳 流场和瞬态流场 行求解，主要
0.0245。 验，
于0.3 ，可将流
为
％ Re = vl /% = 2.982 x 10*
6% 该流动于 流。 流方程 用K-Omega 方程
流场叫
通
定为在 动、 以及的 动 ,
定
为
于流 而 与 发 的
, 与 在分 在 的动
，为 理 的
动问题，得到较为
真实的 入 ， 本
的
从真实的
与 的分 ，的入
以
行
入通量G b 与
g ：；
的 导
吐
G ：
= S
”/
%= S =
g b
11.6<*
2D
5
G ：
/ 0.776 —'—p U 3,
⑹
V DDT
:'为 位径4.45 !m
的重力沉降速
U 为摩阻速，以cm/s p 为 与空气的密
，以g/cm 3 D 为沙粒中位 径;D 1为0.25 mm 的 参考 径。
2.2计算模型建立
本以国某款重卡为研究对象，为提高型
网 量、减 量，对几何型行简化理,
删除了螺栓、螺母、管线等细零 型，仅保留
对冷却、扬尘能影响
的零
，简化的型
图1所示。
图1简化后几何模型
为提供 效，在满足 精度要求的前提
下，对外 区域行适当的减。按照各零
的相特，把各 分配到同的区域，指定
不同的区域类型与网 连续 型，修 在的表
面问题，有 的共 设置为 ，再行
网、网 划分，并对网
量 行检查，确认
满足
， 行后续理模型选择与
参 的设置
2.3物理模型设置
粉尘 型设置为Lagrange 多相 型，利用
DPM 散相型和欧拉 液膜型相合，以达
到真实的仿真 试验工况 与验，在 型
区域设置三子喷射器，
入
参 设置 1 所示
表1颗粒入射参数设置
喷射器名称
指定
成份浓度比率喷射器1粒径50!m 成份30I 喷器2粒径20!m
成份30I
喷射器3
径 10!m 40I
4
105
Equipment Manufacturing Technology No.11,2020
物理参数设置如表2所示。
表2主要边界条件
条
参数
车辆行驶速度
30 Cm/h(定置工况 0 km/h)
风扇转速
1500 rpm （发动机扭矩点）
计算环温
25 !模拟物理时长
5s
结构参数化的 ，进行优化，以解决扬尘问题。
3.2风扇叶片参数优化
风扇是 的 部一，其关联参数
包含运行参数 设计参数，如图4所示+
风扇
设计
运；I —
3优化方案分析
3.1原机分析确认
完成原机迭代计算，对原机扬尘情况进行后处
理分析。首先，对扬尘颗粒物扩散过程进行可视化处 理，如图2所示，可见在风扇运行后，部分颗粒物被 扬起，吹向车辆前方与后方，分析结果显示原机存在
—定扬尘现象+
86
i0
Solution Time 4.95(s)
V e locity:Magnitude( m /s )
■ 10
图2颗粒物扩散图示
截取机舱风扇分布云图，如图3所示，可观察到
风扇出风有2股气流吹向地面，该气流是导致扬尘 的主要原因。
V e locity:Magnitude( m/s )
0.00000 1.0000 2.0000 3.0000 4.0000
图3原机机舱风速云图
为改善扬尘，理论上 改善风扇出风气流方
向 风扇出风气流方向 方面因
，包
风扇 参数风设计、风扇前后端遮“物、风
扇转速等。因风扇前后端遮挡物整车布置
难 整， 主要风扇 参数化、护风罩
f 直径I
f 叶片形状
驱动形式
-轮毂尺寸
-叶片数-叶片角度形式—一，
系统匹配
转速
i 与护区罩匹配
一前后遮挡！巨离
-*安装角度图4风扇关联参数分解
， 运行参数 风扇与 机 风扇 进行 ，对风向
设计参数
数
等， 对风向
过 风扇
， 风扇 ，对 车 的
风扇进行 对 分析， 定
风扇扬
尘
分析方 如
（a 风扇-
原机）
（b
风扇-
-优化叶根导
流
（c
风扇-配镰刀形叶片
（d 风扇
对 方 进行扬尘 计算，扬尘颗粒物扩散结
果如图5所示，在计算过程 在 定 设置颗粒捕
扬尘颗粒物， 过扬尘颗粒数的 计对
分析，定方 c 风扇- 扬尘
，原机改善32.5%，为 风扇方+
方案a
（续下图）
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《装备制造技术＞2020年第11期（接上图）
Particle7elocity:Ma-nitude(m/s)
0.0060239 6.925513.84520.76427.68434.603
方案b
Particle V elocity:Magnitude(m/s)
0.00862060.66445 1.3203 1.9761 2.6319 3.2878
图6护风罩加长图示（下部加长40mm方案）
对优化护风罩方案进行仿真计算）并在地面区域设置监控面以监控吹地风量及风向）分析发现方案/基本没有吹向地面气流）其与对图图7示。扬尘计对，该方案扬尘改善最为明显）浓度较在方案c基础进一步降低40.7%。
方案c
Particle Velocity:Magnitude(m/s)
0.07822612.72125.36438.00650.64963.292
原机
14.00
12.00
10.00
8.000
6.000
•4.000 t2.000
0.000
风速m/s
14.00
方案d
图5各方案颗粒物扩散图示仿真结果
3.3护风罩结构参数优化
基于最优风扇方案c，为进一步改善扬尘）开展护风罩优化。理论上，不同护风罩导流段长度（图6所示）对风扇出风性能产生较大影响。本课题选用3种不同的护风罩长度方案：
（e）护风圈下部加长20mm （f）护风圈下部加长40mm （g）护风圈整体加长40mm
方案f
图7地面监控面气流风速对比云图
12.00
10.00
8.000
-6.000
4.000
2.000
0.000
4试验验证
优化分析，确定改善扬尘最风扇与护风罩匹配方案，开展R扬尘定置
行2种）整
布置方案）步开展R
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Equipment Manufacturing Technology No.11,2020
在定置工况测试时，在车辆下方铺散石灰粉末，并调整发动机转速到给定工况（与仿真工况一致），观测石灰扩散趋势。在道路行车工况测试时，需选择晴天，在尘土较多的路面测试，以模拟用户真实使用工况。
经测试验证，优化方案实施后，车辆冷却能力较原机持平，风扇扬尘可基本消除，且试验过程中灰尘颗粒扩散趋势与仿真基本一致，证仿真方，较工程。
图8石灰扬尘测试
5结论
本过CFD仿真，卡车扬尘污染进行模拟研究，并过优化风扇片
，车辆扬尘况，后过试验，证方。
时风汽车方在试验的时，
扬尘，车辆行的污染，较的工程应用。
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CFD Simulation Analysis and Optimization of Dust
Pollution in a Heavy Truck
LAI Fan,FENG Zhe,LI Guang-sheng,LU Zeng-jun,XU Cheng
(Dongfeng Liuzhou Automobile Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi545000,China)
Abstract:Using Lagrange multiphase flow,establish the DPM discrete calculation model of dust pollution particles in heavy trucks,and the optimal design scheme for dust control was determined by optimizing the parameters of fan blade parameters and the structure parameters of fan shield in the key components of the cooling system.After the test and demonstration,the vehicle dust is basically eliminated after the implementation of the optimization scheme,and the diffusion trend of test dust particles is basically consistent with the simulation results.The scheme realizes effective control of vehicle dust pollution from the source of fans,which has great engineering reference significance.
Key words:heavy truck;dust;PM10;CFD simulation
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