重型卡車進氣扁管仿真及性能分析*

楊志剛，張文博，何文軍，王 磊

(陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西西安 710200)

0 引言

重型商用車輛發(fā)動機的進氣都要經(jīng)過進氣扁管完成(空氣在進入空濾器之前所經(jīng)過的狹長管道，一般形狀為前后尺寸小于左右尺寸，故俗稱進氣扁管，常見材料有鐵質(zhì)和塑料兩種)。國內(nèi)車型的進氣道大部分固定于駕駛室后部，國外車型的進氣道有布置在駕駛室下部。目前，具有粗濾功能的進氣扁管基本上采用黑色塑料，由發(fā)動機的廢氣渦輪增壓器提供動能進行吸氣供給發(fā)動機。進氣扁管的底端連接空氣濾清器，主要作用是除灰防水。進氣扁管為一級過濾，空濾為二級過濾，過濾后的干凈空氣經(jīng)過渦輪增壓器－中冷－發(fā)動機的進氣管路進入到各個氣缸和柴油燃燒。近些年隨著發(fā)動機馬力和排量的增加，燃燒所需的氧氣也越多，進氣量增加，導(dǎo)致從進氣口進入的粉塵和雨滴也會相應(yīng)增多，使空濾器工作負荷增加。當空濾器內(nèi)的水和粉塵積聚造成進氣阻力超限，進氣系統(tǒng)報警，油耗上升，影響發(fā)動機性能。重型商用車輛空濾濾芯兩星期就要更換新件，為了降低更換次數(shù)，減小使用成本，簡單的進氣扁管構(gòu)型已不能滿足性能要求，對其防雨防塵設(shè)計也變得非常重要［1］。

重型商用車輛進氣扁管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既要滿足氣體的流通性，又要對氣體流動進行組織。其關(guān)鍵部位的尺寸對進氣流動影響很大，找到這些關(guān)鍵部位并合理進行進氣扁管的改進是優(yōu)化的重點。數(shù)值模擬技術(shù)在汽車行業(yè)的實際應(yīng)用和設(shè)計也成為各學(xué)科工作者追求的目標［2］。利用仿真軟件對帶有旋流管的進氣扁管進行模擬分析，將扁管流場可視化，能直觀的顯示出流動結(jié)構(gòu)的不合理之處，使進氣道的設(shè)計優(yōu)化具有針對性。

1 性能分析

表1所列灰塵粒度分為三級，路面灰塵中以SiO2、Fe2O3占絕大比例，屬于高硬度研磨材料，其硬度達莫氏硬度7級左右。研究表明，20.000 μm的粒子對發(fā)動機氣缸磨損最為嚴重，進氣灰塵對氣缸、活塞、活塞環(huán)、氣門、氣門導(dǎo)管等會產(chǎn)生嚴重磨損，灰塵透過活塞環(huán)，進入曲軸箱，也會加劇曲軸軸承、連桿軸承、曲軸徑的磨損。所以合理的設(shè)計進氣扁管防雨防塵性能，可以減少灰塵和雨水的吸入量，延長空濾器的使用壽命。

表1 灰塵粒度分級

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型建立

目前應(yīng)用較多的是瓊斯和勞德提出的K－ε雙方程模型，列出進氣系統(tǒng)內(nèi)不可壓縮湍流流動的控制方程組［3］。

質(zhì)量守恒方程:

式中:ρ是密度;t是時間;u，v，w 是速度在 x，y，z方向的分量。

動量守恒方程:

式中:ρ是流體微元體上的壓力，τxx，τyx，τzx等是分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力T 的分量，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)Z是微元體上的力。

能量方程:

式中:CP是比熱容，T為溫度，K為流體的傳熱系數(shù)，Sr為內(nèi)熱源以及由于摩擦作用及流體機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

k－ε標準方程:

式中:GK是由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項，是由于浮力引起的湍動能K為可壓湍流中脈動擴張的貢獻，模型常數(shù)由實驗得到的具體取值為:G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3［4］。

2.2 流動特性分析

對旋流式進氣扁管進行模擬，進氣流量為1 800.000 m3/h，空氣密度取 1.210 kg/m3，質(zhì)量流率為 0.605 kg/s，計算得到壓力和速度云圖(見圖1，2所示)。壁面壓力云圖顏色均勻，由于有旋流管存在，進氣端進氣阻力大，造成旋流管外側(cè)區(qū)域壓力較高。觀察切面壓力云圖，發(fā)現(xiàn)氣流經(jīng)過旋流葉片后，管壁附近的氣流壓力大于中心區(qū)域，說明氣流向旋流管壁面運動，在進入主體時氣流呈集束狀，是由于旋流管道的作用造成;主流道上半部分壓力小，下半部分壓力大，整個主流道的壓力未平衡，氣流垂直進入主流道，氣流主要在流道下方流動。旋流管的個數(shù)決定了進氣流量的大小，在入口端應(yīng)布置盡可能多的旋流管，增大進氣流量，且旋流管的直徑不能過小，以保證進氣阻力達到設(shè)計要求。觀察圖2速度切面云圖發(fā)現(xiàn)，氣流的流動特性與壓強圖一致，在主流道下半?yún)^(qū)域氣流流動速度較快上半部分氣流流動速度較低，上半?yún)^(qū)域平均流速為8.000 m/s，下半?yún)^(qū)域平均流速為30.000 m/s，速度相差較大。觀察局部區(qū)域的放大圖發(fā)現(xiàn)氣流出現(xiàn)旋流運動，此種現(xiàn)象出現(xiàn)會造成氣體動能的多余損失，流速下降，大旋流也會造成噪聲增加，分析認為進氣口和主流道呈垂直布置，且邊界區(qū)域無圓角過度，造成氣體的旋流［5］。

圖1 進氣扁管壓力云圖

圖2 進氣扁管速度云圖

通過局部放大圖2(b)看出，靠近壁面的區(qū)域速度比中心大，也證明了旋流葉片起作用，氣流通過四葉片的旋流后，由于離心力的作用向壁面擴散，中心區(qū)域的氣流稀薄壁面壓強高于中心。氣流也會帶著液滴向壁面擴散，進入柱形格擋，以達到防雨防塵的效果。

圖3為旋流管四葉片及六葉片結(jié)構(gòu)示意圖，分別設(shè)計四葉片和六葉片結(jié)構(gòu)，計算壓降和速度。圖4、圖5為旋流管壁面壓力云圖和旋流管速度云圖。旋流管的流量等于總流量除以進氣端旋流管的個數(shù)。計算表明六葉片的旋風管比四葉片的壓降大，通過速度云圖看出經(jīng)過旋流葉片的氣流螺旋式旋轉(zhuǎn)運動，旋流葉片作用明顯。氣流的旋流會帶動灰塵和葉滴的旋轉(zhuǎn)，由于灰塵顆粒和雨滴自身質(zhì)量，會呈螺旋線型旋轉(zhuǎn)，最終進入桶后方隔離環(huán)，灰塵和雨滴從隔離環(huán)的外側(cè)流入隔板內(nèi)后從排塵口排出，空氣則從隔離環(huán)的內(nèi)部進入扁管，達到水氣分離的效果。

圖3 四葉片和六葉片實物圖

圖4 旋流管壁面壓力云圖

圖5 旋流管速度云圖

2.3 兩相流模擬分析

粒子的動能來源于氣流運動，對防灰防雨能力進行判斷，要進行兩相流模擬。在兩相流研究中，把物質(zhì)分為連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)。氣體和液體屬于連續(xù)介質(zhì)，也稱為連續(xù)相和流體相。固體顆粒、液滴和氣泡屬于離散介質(zhì)，也稱為散相或顆粒相。歐拉.拉格朗日法以及歐拉.歐拉法是目前應(yīng)用于多相流研究的最主要的兩種方法。兩種方法應(yīng)用范圍各有不同，其中在歐拉.拉格朗日方法中，流體主相和離散相分別求解，主相被視作連續(xù)相來求解納維.斯托克斯方程，而離散相的運動解析解則是通過計算流場中大量粒子運動得到。與歐拉一拉格朗日法所不同的是在歐拉.歐拉法中主相和離散相并不是獨立求解，不同的流體相作為互相貫穿的一種連續(xù)介質(zhì)。本文利用歐拉.拉格朗日方法來計算模擬，粒子粒徑分布1.000～50.000 μm。

通過前期的設(shè)計經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)確定出百葉窗的正面投影為全封閉狀態(tài)的設(shè)計。首先對外部百葉窗投影未封閉和百葉窗投影全封閉進行兩相流模擬對比，如圖6所示。圖7為粒子的速度軌跡圖，計算時簡化構(gòu)型，扁管外部設(shè)置流場區(qū)域，粒子發(fā)出方向與進氣道入口垂直。通過對比發(fā)現(xiàn)百葉窗正面投影在未封閉狀態(tài)下，有部分粒子進入到進氣扁管內(nèi)部如圖7(a);圖7(b)為格柵全封閉狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)無粒子進入進氣扁管內(nèi)部。圖8是對旋流管四葉片和六葉片的兩相流模擬，通過粒子軌跡發(fā)現(xiàn)，粒子在壁面都開始旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過旋流管的外環(huán)進入到擋水格內(nèi)部，達到了除塵除雨的效果。四葉片和六葉片設(shè)計都達到了離心分離的作用。但是雨滴實際運動中的碰撞聚合碎裂無法模擬，所以防雨的能力還需實驗驗證。推薦設(shè)計3種結(jié)構(gòu):①四葉片加未封閉百葉窗;②四葉片加全封閉百葉窗;③六葉片加全封閉百葉窗。

一般認為增壓器前壓降小于3.5 kPa，不會影響發(fā)動機性能。三種設(shè)計都需進行壓降試驗確定構(gòu)型，最終生產(chǎn)構(gòu)型要滿足壓降及成本要求。

圖6 百葉窗示意圖

圖7 進氣扁管內(nèi)部兩相流模擬軌跡圖

圖8 旋流管兩相流模擬軌跡圖

3 結(jié)論

對旋流式進氣系統(tǒng)展開研究，利用氣動及兩相流理論對構(gòu)型進行模擬分析，使內(nèi)部流場可視化，明確扁管內(nèi)部流動特性，為優(yōu)化設(shè)計提供參考。

(1)通過模擬分析發(fā)現(xiàn)進氣口和主流道垂直布置時，氣體在此區(qū)域出現(xiàn)旋流，流動不暢;進氣扁管內(nèi)部的壓力和速度分布并不均勻，主流道下半?yún)^(qū)域速度快壓力高，上半?yún)^(qū)域反之。

(2)為進氣系統(tǒng)的設(shè)計提出了設(shè)計理論和方法，進氣道設(shè)計盡量用圓角過渡，進氣端面應(yīng)加大入口面積，以降低壓降;在滿足壓降的同時外部百葉窗投影面盡可能封閉。

［1］ 李海渡，蘇國萃.起重運輸車輛發(fā)動機進氣系統(tǒng)的設(shè)計計算［J］.起重運輸機械，2008(8):60 －69.

［2］ 李虎強，褚超美，凌建群.基于CFD的柴油機進氣性能仿真研究［J］.內(nèi)燃機工程，2011，32(5):88 －92.

［3］ 賈彥龍，韓 青，陳憲琳.空氣濾清囂內(nèi)不可壓縮三維湍流流場的數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2007(11):30－32.

［4］ 張紅巖，胨 珂，劉 巖.輕型工程自卸車進氣系統(tǒng)設(shè)計布置［J］.專用汽車，2010(5):57 －59.

［5］ 洑 慧，江 帆，吳豐凱，等.基于CFD分析的進氣歧管性能研究［J］.機械研究與應(yīng)用，2014(27):149－151.