客車進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的Flue nt分析

張傳謙，劉鑫明，孟國慶，蔣　正

客車進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的Flue nt分析

張傳謙，劉鑫明，孟國慶，蔣正

（中通客車控股股份有限公司，山東 聊城252000）

利用Fluent對客車進(jìn)氣管路內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，計算進(jìn)氣系統(tǒng)中壓力損失。結(jié)果表明，利用Fluent模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果的誤差為4.13%，能夠快速、準(zhǔn)確地計算進(jìn)氣管路阻力值，從而在設(shè)計之初合理評估進(jìn)氣系統(tǒng)阻力，確保進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計成功率。

Fluent；壓力損失；進(jìn)氣系統(tǒng)；阻力；模擬

1　客車進(jìn)氣系統(tǒng)簡介

把空氣或混合氣導(dǎo)入發(fā)動機(jī)氣缸的零部件集合體稱為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)。如圖1所示，客車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)指的是發(fā)動機(jī)增壓器前的進(jìn)氣系統(tǒng)，包括空濾后進(jìn)氣管路、空濾器、進(jìn)氣阻力報警裝置等底盤進(jìn)氣部分和車身進(jìn)氣罩（進(jìn)氣盒）、空濾前進(jìn)氣管路、進(jìn)氣預(yù)濾器等車身進(jìn)氣部分［1］。

布置客車進(jìn)氣系統(tǒng)時，要求進(jìn)氣系統(tǒng)裝備所有附件，發(fā)動機(jī)在最大進(jìn)氣流量下，進(jìn)氣系統(tǒng)總阻力不得大于發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)表上規(guī)定的限值，因為進(jìn)氣阻力的大小將直接影響發(fā)動機(jī)功率的發(fā)揮［2］。進(jìn)氣系統(tǒng)的總阻力包括管路（包括空濾前進(jìn)氣管路和空濾后進(jìn)氣管路）的阻力、空濾器本身的阻力及進(jìn)氣帽（頂部進(jìn)氣時）的阻力之和?？諡V器本身阻力和進(jìn)氣帽阻力可以在供應(yīng)商技術(shù)資料中查得。因此，在空濾器本身阻力和進(jìn)氣帽阻力一定的條件下，合理優(yōu)化管路設(shè)計，也可有效減少進(jìn)氣系統(tǒng)阻力值。

進(jìn)氣管路的阻力取決于大量的可變因素，其中包括管的形狀、輸送管道的光滑程度、撓性接頭型式、管尺寸、進(jìn)氣口的外形以及彎管型式［3-4］。在整個管路初步設(shè)計完成后，應(yīng)粗略計算管路的總阻力，進(jìn)而計算整個進(jìn)氣系統(tǒng)的總阻力，與發(fā)動機(jī)所要求的最大進(jìn)氣阻力相對照，從而確定進(jìn)氣系統(tǒng)的最終設(shè)計方案。

進(jìn)氣管路阻力的計算有很多方法，如經(jīng)驗公式法、查表法等［5］。但是在具體設(shè)計中，因為布置空間的限制，進(jìn)氣管路的走向往往很復(fù)雜，以上兩種方法很難解決。例如，LCK6183RGCK3客車進(jìn)氣管路的阻力利用以上兩種方法就很難估算。針對這種情況，使用CFD商業(yè)軟件Fluent對管路內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，并將計算結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比，判斷數(shù)值模擬的可靠性，進(jìn)而提供一種更加便捷、準(zhǔn)確的估算進(jìn)氣管路阻力值的方法。

2　進(jìn)氣管路阻力的Fluent計算

2.1建立幾何模型及網(wǎng)格劃分

該車底盤部分進(jìn)氣系統(tǒng)安裝示意圖如圖2所示。由圖2可知，空濾后進(jìn)氣管路由兩根膠管和一根不銹鋼管通過T型卡箍連接而成。

不銹鋼管插入膠管部分大約為50 mm，忽略插入損失和不必要的角度，通過CATIA三維建模，得到進(jìn)氣管路的三維幾何模型，如圖3所示。整個管路中心線位于Z=0平面上，以空濾器出氣膠管φ150 mm直徑一端作為入口，空氣流向沿X軸負(fù)方向，以發(fā)動機(jī)進(jìn)氣膠管中φ125 mm直徑一端作為出口，空氣流向沿Y軸負(fù)方向。

采用GAMBIT進(jìn)行有限網(wǎng)格劃分。為了充分模擬固體壁面附近的邊界層流動，在靠近壁面的地方設(shè)置邊界層網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)目為302 592個，圖4是網(wǎng)格劃分后的示意圖。

2.2流動模型及邊界條件的設(shè)定

1）進(jìn)氣管路中空氣流態(tài)的判別。該車采用韓國斗山GL11K發(fā)動機(jī)，根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)表，發(fā)動機(jī)最大進(jìn)氣質(zhì)量流量為1 272 kg/h。40℃時，空氣的密度為1.12 kg/m3，動力粘度u=1.92×10-5Pa·s，計算得其體積流量V=1 136 m3/h［6］。當(dāng)進(jìn)氣管路入口直徑D=150 mm時，假設(shè)管路中空氣為不可壓縮流體，則入口處空氣流速：

v=V/π（D/2）2=17.9 m/s

當(dāng)空氣中聲速c=340 m/s時，管內(nèi)流體馬赫數(shù)為

Ma=v/c≈0.053＜0.3

根據(jù)流體力學(xué)知識，當(dāng)研究Ma＜0.3低速氣體的流動規(guī)律時，可以將氣體看作與液體一樣的不可壓縮流體處理［7］。流體的雷諾數(shù)為

Re=vD/θ=17.9×0.150/1.76×10-5=1.5×105?2 320式中：v為管路入口處空氣流速，m/s；D為管路直徑，m；θ 為40℃時空氣運(yùn)動粘度，1.76×10-5m2/s。

由此可見，進(jìn)氣管路中的流動為湍流流動。Fluent計算時，需要利用湍流模型進(jìn)行計算。

2）湍流模型的選擇。文獻(xiàn)［6］通過使用Fluent軟件的RNGk-ε湍流模型，對大曲率圓形截面彎管內(nèi)部流體進(jìn)行三維數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，RNGk-ε湍流模型對具有二次流的湍流流動具有較好的模擬，計算結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果吻合較好［7］。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型用于強(qiáng)旋流或帶有彎曲壁面的流動時，會出現(xiàn)一定失真，為此出現(xiàn)了k-ε模型的兩種有影響的改進(jìn)方案：RNGk-ε模型和Realizable k-ε模型。RNGk-ε模型通過在大尺度運(yùn)動和修正后的粘度項體現(xiàn)小尺度的影響，如通過修正湍流粘性系數(shù)，考慮平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流運(yùn)動情況，在ε方程中增加了一項反映主流的時均應(yīng)變率。這樣，RNGk-ε模型中產(chǎn)生項不僅與流動情況有關(guān)，而且在同一問題中還是空間坐標(biāo)的函數(shù)，從而可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動［8-9］。因此，本文的仿真計算模型也是選用RNGk-ε模型。

現(xiàn)有計算流體力學(xué)求解計算中用得較多的數(shù)值方法有有限差分法、有限元法和有限體積法，F(xiàn)luent所采用的是有限體積法，其對流場迭代求解的方法主要有SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法等。有限體積法的區(qū)域離散實(shí)質(zhì)上是把計算的區(qū)域劃分為許多個互不重疊的子區(qū)域，并確定每個子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)位置和該節(jié)點(diǎn)所代表的控制體積。在離散的過程中，將一個控制體積上的物理量定義并存儲在節(jié)點(diǎn)上［10］。本文選用SIMPLE算法。

3）邊界條件的設(shè)定。入口的邊界條件選擇速度入口邊界條件，入口速度為17.9 m/s，方向沿X軸負(fù)方向，垂直于入口截面。湍流強(qiáng)度T=0.16×Re-1/8=0.036［11］。對于全充滿管路的流體，其當(dāng)量直徑即為管路的直徑de=D=150 mm。出口邊界條件選擇自由出流邊界條件。壁面選擇為無滑移壁面。

2.3計算結(jié)果分析

計算500步后，已收斂，自動停止運(yùn)算；整體分析。圖5為Z=0截面上壓力分布圖。如圖5所示，進(jìn)氣管路中，隨空氣的流動，壓力逐漸降低，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣膠管部位產(chǎn)生較大的負(fù)壓，因此，在設(shè)計進(jìn)氣膠管時，要保證進(jìn)氣膠管不被吸癟［12］。

圖6為Z=0截面氣流速度分布圖。如圖6所示，由于管路折彎較大，在U型入口處，產(chǎn)生較大渦流，對照圖5可知，在此位置氣流壓力損失也是最大的。

圖7給出了進(jìn)出氣口質(zhì)量流量值?？梢钥闯觯M(jìn)出氣口質(zhì)量流量相等，符合質(zhì)量守恒定律。

利用面積加權(quán)平均，計算管路的總壓損失［13］。一個量的面積加權(quán)平均是將選擇的場變量和小面面積相乘得到乘積，然后將乘積相加，之后再與總的表面積相除得到。

如圖8所示，計算得該管路的總壓損失為P1= 1 545.9 Pa

2.4計算結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果的比較

根據(jù)韓國斗山GL11K發(fā)動機(jī)參數(shù)表，在最大進(jìn)氣量下，發(fā)動機(jī)允許最大進(jìn)氣阻力為300 mmH2O。該車型最初選用上海弗列加AH24196空濾器，其最大進(jìn)氣量為1 500 m3/h。按環(huán)境溫度為40℃計算，發(fā)動機(jī)最大進(jìn)氣體積流量為1 136 m3/h。查空濾器的流量流阻曲線圖（圖9），可得到當(dāng)體積流量為1 136 m3/h時，該空濾器的進(jìn)氣阻力值為P2=1 620 Pa。

忽略其他影響因素，將底盤部分進(jìn)氣系統(tǒng)阻力簡化為空濾器阻力與管路阻力之和，得到底盤進(jìn)氣系統(tǒng)總阻力：

P=P1+P2=1 545.9+1 620=3 165.9 Pa=322.8 mmH2O

2012年6月14日，中通客車邀請韓國斗山發(fā)動機(jī)應(yīng)用工程師對該車型發(fā)動機(jī)性能進(jìn)行檢測，并出具檢測報告。報告部分結(jié)果如表1所示。

表1　斗山發(fā)動機(jī)檢測報告

報告顯示，該車型進(jìn)氣系統(tǒng)阻力過大。前兩次實(shí)驗是連接車身進(jìn)氣管路部分測得的值，第三次實(shí)驗是拆除車身進(jìn)氣管路后所得到的實(shí)驗值。利用Fluent模擬得到的阻力值與實(shí)驗值比較接近，誤差為4.13%。這表明，利用Fluent可以很好地模擬進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力損失，在整車設(shè)計之初便可對進(jìn)氣阻力進(jìn)行估算，進(jìn)而盡早地提出解決方案，而不是到實(shí)驗結(jié)果出來以后再進(jìn)行改造，減少設(shè)計成本。

3　結(jié)束語

使用Fluent對進(jìn)氣管路內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，計算進(jìn)氣管路壓力損失，進(jìn)而在整車設(shè)計之初對進(jìn)氣系統(tǒng)的阻

力進(jìn)行估算，是一種更加便捷、準(zhǔn)確的估算進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的方法。這對底盤動力系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計以及降低設(shè)計成本和縮短生產(chǎn)周期具有重要意義。

［1］付本奇，張祥宇，梁榮朝.客車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)車身進(jìn)氣部分設(shè)計［J］.客車技術(shù)與研究，2011，33（3）：31-33.

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修改稿日期：2014-09-21

Analysis on Resistance for Bus/Coach Intake System with Fluent

ZhangChuanqian，Liu Xinming，MengGuoqing，JiangZheng
（ZhongtongBus HoldingCo.，Ltd，Liaocheng252000，China）

According to the field simulation of the bus/coach inlet pipeline with Fluent，the authors calculate the pressure loss of the inlet system.The result shows that there is only 4.13%error between the simulation result and the experiment result.So the Fluent simulation can rapidly and accurately calculate the resistance of the inlet pipeline.Thereby the authors can reasonably evaluate the inlet system resistance during the design stage in order to ensure the success ofthe inlet systemdesign.

Fluent；pressure loss；intake system；resistance；simulation

U464.134+.4

B

1006-3331（2015）01-0035-03

張傳謙（1989-），男，助理工程師；主要從事客車動力系統(tǒng)設(shè)計。