基于Star-CCM+重型車進(jìn)氣系統(tǒng)仿真分析

梁江波 馬鳳軍 謝 玓 邵林

1 前言

重型車進(jìn)氣系統(tǒng)主要用于控制空氣進(jìn)入燃燒室，其功能是使更多的冷卻空氣進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室并充分燃燒，以獲得更清潔的排放及更大的功率，同時還要過濾空氣中的沙塵，保證進(jìn)入氣缸的空氣清潔以改善燃燒和排放性能[1]。

進(jìn)氣系統(tǒng)的性能影響著發(fā)動機(jī)和整車性能，不合理的進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)致進(jìn)氣阻力較大，發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性變差[2]。本文對空濾器部分按Star-CCM+多孔Baffle處理，對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了流體動力學(xué)仿真分析，得出額定工況下進(jìn)氣系統(tǒng)流場的分布和不同工況下的進(jìn)氣阻力及空濾阻力，為設(shè)計選型提供了理論參考，并對進(jìn)氣系統(tǒng)局部結(jié)構(gòu)提出一些優(yōu)化建議，得到進(jìn)氣系統(tǒng)靜壓與入口流量的關(guān)系式，最后通過將空濾器仿真結(jié)果與試驗結(jié)果比較，進(jìn)一步驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格模型

某重型車進(jìn)氣系統(tǒng)包括進(jìn)氣扁管、軟管1、進(jìn)氣連接管1、進(jìn)氣連接管2、空濾器及增壓器進(jìn)氣管等，如圖1所示。表1為空濾器部分不同空氣流量下對應(yīng)流動阻力試驗值。

表1 空濾器阻力特性

在Hyperworks11.0→Engineering Solutins11.0-CFD中對進(jìn)氣系統(tǒng)全部管道內(nèi)腔劃分邊界層網(wǎng)格，邊界層設(shè)置為5層，增長比為1.2，第一層厚度為0.2mm，邊界層采用三棱柱網(wǎng)格，其余采用全四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為2.18×106左右。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2、3所示[3]。

3 進(jìn)氣系統(tǒng)邊界條件定義

材料參數(shù)如下：環(huán)境壓力為1.01×105Pa，環(huán)境溫度為20℃；入口條件如下：根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣量，定義進(jìn)氣系統(tǒng)入口速度；出口壓力為靜壓?？諡V器特性以多孔Baffle進(jìn)行模擬。

根據(jù)空濾出口處速度及實測空濾阻力，應(yīng)用最小二乘法對空濾的阻力特性進(jìn)行曲線擬合，得到曲線方程，如圖4所示。

結(jié)合Star-CCM+中，多孔Baffle流速和壓力損失的關(guān)系△P=ραV2+ ρβV及進(jìn)氣系統(tǒng)空濾部分實際，最終確定合理的阻力系數(shù)α及β值。式中，△P為壓力損失，ρ為密度，V為速度，α、β為阻力系數(shù)。

4 仿真結(jié)果及分析

圖5～11為額定工況下，入口空氣流量為2200 m3/h時，進(jìn)氣系統(tǒng)仿真計算結(jié)果。由云圖可以看出，進(jìn)氣扁管內(nèi)部存在較多區(qū)域的渦流，局部結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，可考慮在圖示位置增加導(dǎo)流板或改進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖7、8中紅線所示。

由云圖可以看出，在管子拐角處存在不同程度的流動分離及低壓區(qū)，建議在進(jìn)氣連接管1及增壓器進(jìn)氣管拐角處采用較大半徑的圓弧過渡，使速度分布趨于均勻，減少流動分離。圓弧過渡如圖9～11中紅線所示。

額定功率工況下，空氣流量為2200 m3/h時進(jìn)氣系統(tǒng)各部分壓損結(jié)果如表2所示。

表2 額定功率工況下進(jìn)氣系統(tǒng)各部分壓損結(jié)果

額定功率工況下，進(jìn)氣系統(tǒng)的總壓損失為7.27 kPa，進(jìn)氣扁管的總壓損失占整個系統(tǒng)的47.92%。由于進(jìn)氣扁管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓降變化大有多方原因，查看進(jìn)氣扁管的壓力梯度分布，可以看出壓力變化較大的部位在小進(jìn)氣管和進(jìn)氣系統(tǒng)主腔道聯(lián)接的小凸臺部位。由于空濾器的壓降是由其自身空濾特性引起，增壓器進(jìn)氣管彎管附近壓力梯度變化較大，其自身結(jié)構(gòu)管道截面小，則轉(zhuǎn)彎角度大是造成壓降大的主要原因。

5 進(jìn)氣系統(tǒng)不同流量計算結(jié)果

采用與前文相同的計算方法，設(shè)置不同的入口速度，計算進(jìn)氣系統(tǒng)在不同入口速度條件下的系統(tǒng)靜壓壓降、系統(tǒng)總壓壓降及空濾器壓降，如表3所示。

表3 進(jìn)氣系統(tǒng)不同流量壓損計算結(jié)果

由表3計算結(jié)果可知，采用最小二乘法分別對系統(tǒng)靜壓壓降流量、系統(tǒng)總壓壓降流量、空濾器仿真壓降－流量關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到進(jìn)氣系統(tǒng)靜壓與入口流量的關(guān)系式為：△P=0.002Q2+0.396 9Q；進(jìn)氣系統(tǒng)總壓與入口流量的關(guān)系式為：△P=0.001 3Q2+0.368 3Q 。應(yīng)用此公式便可進(jìn)行任意流量下進(jìn)氣阻力的計算。進(jìn)氣系統(tǒng)入口流量與系統(tǒng)壓損擬合曲線如圖12所示。

6 空濾器壓降仿真與實驗值比較

由表4空濾器阻力仿真與實驗值比較可以看出，仿真空濾器壓降與二次多項式理論計算空濾器壓降相當(dāng)接近，仿真與理論差值較小，仿真計算最大誤差為5.99%，試驗最大誤差為8.07%，將仿真所得空濾器流量與阻力關(guān)系與試驗值進(jìn)行對比分析，由圖13可以看出，在空濾器正常工作范圍內(nèi)，仿真結(jié)果和試驗結(jié)果有很好的一致性，表明多孔Baffle邊界設(shè)置的阻力系數(shù)比較符合實際。

表4 空濾器阻力仿真與實驗值比較

7 結(jié)語

借助Star -CCM+軟件對某重型車進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了流體動力學(xué)仿真分析，得到了額定工況下流場的分布和不同工況下的進(jìn)氣阻力及空濾阻力。對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣扁管、進(jìn)氣連接管及增壓器進(jìn)氣管提出改進(jìn)建議。計算得到進(jìn)氣系統(tǒng)不同入口流量與進(jìn)氣阻力關(guān)系式，此關(guān)系式可方便地進(jìn)行任意流量下的進(jìn)氣阻力計算。由空濾器仿真結(jié)果與試驗結(jié)果很好的一致性，進(jìn)一步驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。從仿真的角度，也說明了將空濾器部分以Star -CCM+多孔介質(zhì)Baffle邊界處理在仿真分析中是有效的， 在仿真分析中，為空濾器的簡化處理給出了一種新方法。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[2] 錢耀義,李云清.進(jìn)氣系統(tǒng)的簡化數(shù)學(xué)模型與參數(shù)的優(yōu)化程序[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報,1988(3):258-264.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.