某SUV車型進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

吳超群劉凌豪華偉杰趙偉靜梅望林

（1.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；2.一汽海馬汽車有限公司，海口 570216）

某SUV車型進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)

吳超群1劉凌豪1華偉杰1趙偉靜1梅望林2

（1.武漢理工大學(xué)，武漢 430070；2.一汽海馬汽車有限公司，?？?570216）

針對(duì)某SUV車型進(jìn)氣背壓過大的問題，采用Fluent軟件對(duì)其進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行建模，通過試驗(yàn)對(duì)該模型校準(zhǔn)后進(jìn)行流體力學(xué)仿真。同時(shí)，將計(jì)算流體力學(xué)模型的邊界條件應(yīng)用在Virtual.Lab中對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測，以系統(tǒng)背壓和消聲性能為目標(biāo)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行制樣和評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，進(jìn)氣背壓和進(jìn)氣效率顯著改善，進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能有所提高。

1 前言

汽車進(jìn)氣背壓過大會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和輸出功率，甚至影響整車的動(dòng)力性能和使用壽命[1]。進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還要控制進(jìn)氣噪聲，一般通過調(diào)整空氣濾清器的結(jié)構(gòu)降低脈動(dòng)噪聲，通過設(shè)計(jì)高頻管等結(jié)構(gòu)降低流體噪聲。本文以某SUV車型為例，針對(duì)其進(jìn)氣系統(tǒng)原始方案，在Fluent中對(duì)其數(shù)模進(jìn)行三維有限元流體仿真分析，在保證消聲效果的前提下，降低進(jìn)氣背壓，使其不超過5 kPa，并提出改進(jìn)方案。進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要使用一維模型（如GT-Power）和三維有限元模型（如Fluent）。相比之下，一維方法無法準(zhǔn)確體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征[2]，而三維仿真計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以體現(xiàn)出進(jìn)氣系統(tǒng)中各個(gè)部件的形狀對(duì)進(jìn)氣流場及壓力的影響[3]。為獲得更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，本文采用三維有限元計(jì)算方法改進(jìn)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 模型的建立與校準(zhǔn)

2.1 建立模型

進(jìn)氣系統(tǒng)建模的一般步驟為：根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)的幾何模型建立相應(yīng)的流體力學(xué)模型；設(shè)定模型的邊界條件；建立各參數(shù)之間的理論方程組。

原車進(jìn)氣系統(tǒng)的幾何模型如圖1所示，應(yīng)用Solid?Works工程軟件，根據(jù)該模型生成進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部的空氣流體模型如圖2所示。

應(yīng)用HyperMesh工程軟件對(duì)空氣流體模型劃分的有限元網(wǎng)格如圖3所示。空氣模型幾何形狀復(fù)雜，為了降低劃分難度，在保證計(jì)算精度的前提下，本文選用四面體三維網(wǎng)格，劃分約287萬個(gè)單元。最后將該網(wǎng)格模型輸出為計(jì)算流體力學(xué)模型。

圖1 幾何模型

圖2 空氣流體模型

圖3 原車進(jìn)氣系統(tǒng)計(jì)算流體力學(xué)模型

汽車進(jìn)氣系統(tǒng)直接吸入外部環(huán)境空氣，因此設(shè)定模型中流體介質(zhì)為常溫狀態(tài)的空氣，其基本參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)測得原車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 空氣參數(shù)

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量

根據(jù)表1、表2中的數(shù)據(jù)，5 000 r/min轉(zhuǎn)速下進(jìn)氣流量為383.09 kg/h，測量進(jìn)氣系統(tǒng)幾何模型得到進(jìn)氣系統(tǒng)通流最大截面積為0.049 m2，計(jì)算可得進(jìn)氣系統(tǒng)流質(zhì)在該處雷諾數(shù)Re=1.004×104?2 000，說明該處流體的流動(dòng)狀態(tài)為紊流，空氣流體在通過進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)湍流，所以本文設(shè)定進(jìn)氣系統(tǒng)流體計(jì)算模型為定常湍流模型。同時(shí)，為簡化計(jì)算，假定空氣溫度在進(jìn)氣系統(tǒng)中無顯著變化，且為不可壓縮流體。處理高雷諾數(shù)流體時(shí)，RNGk-ε湍流計(jì)算模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流計(jì)算模型相比，可更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的計(jì)算流體模型。因此，對(duì)于汽車進(jìn)氣系統(tǒng)這類因空間限制較多而使流體通道曲折的計(jì)算，采用RNGk-ε湍流計(jì)算模型[4]。

本文在進(jìn)氣系統(tǒng)工作狀態(tài)下忽略來自發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)對(duì)壁面位移的影響，設(shè)定壁面為靜態(tài)無滑移類型邊界條件。汽車進(jìn)氣系統(tǒng)主動(dòng)吸入外界空氣，因此將進(jìn)口設(shè)定為自然流入邊界，出口設(shè)定為速度出口邊界，設(shè)定出流速度的方向?yàn)檠爻隹诜较?，速度大小根?jù)表2中測定的流量進(jìn)行換算。這里選用湍流強(qiáng)度（Turbulence Intensity）與水力直徑（Hydraulic Diameter）設(shè)定進(jìn)、出口處邊界湍流計(jì)算模型。

將濾芯等效為多孔結(jié)構(gòu)，在Fluent中直接使用該種結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的模型，即多孔階躍（Porous Jump）模型。根據(jù)濾芯供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)確定該模型的面滲透率（Face Permeability）、厚度（Thickness）和壓力跳躍系數(shù)（Pressure-Jump Coefficient），選用Simple二階迎風(fēng)算法進(jìn)行迭代計(jì)算。

流體計(jì)算模型迭代計(jì)算時(shí)滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒定理[5]：

式中，ρ為密度；t為時(shí)間；u為速度矢量。

式中，u、v、w為速度矢量u在x、y、z方向的對(duì)應(yīng)分量；ρ為空氣密度；μ為空氣的動(dòng)力粘度；grad()=?()/?x+?()/?y+?()/?z為u在各方向分量的梯度函數(shù)；Su、Sv、Sw為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

2.2 模型校準(zhǔn)

原車裝配1.2 L渦輪增壓四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，由表2可知，6 000 r/min工況下其進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣流量為410.24 kg/h。根據(jù)幾何模型尺寸測得出口橫截面積為1 500 mm2，結(jié)合表1中的空氣參數(shù)計(jì)算可得空氣在出口處的流速為64 m/s。

將計(jì)算流體力學(xué)模型導(dǎo)入Fluent軟件，按前述邊界條件進(jìn)行流體仿真分析，獲得進(jìn)氣系統(tǒng)流場壓力分布云圖，如圖4所示。測出仿真計(jì)算結(jié)果中進(jìn)氣口截面與出氣口截面處的全壓（Total Pressure），其差值即為進(jìn)氣系統(tǒng)的總背壓。

圖4 原車進(jìn)氣系統(tǒng)壓力分布

測試原車進(jìn)氣系統(tǒng)在5 500 r/min工況下的壓力如表3所示?？紤]進(jìn)氣系統(tǒng)吸氣的影響，入口截面處氣體流速達(dá)到16 m/s，該處壓力損失約為1 kPa，仿真結(jié)果為7.9 kPa，與測試結(jié)果8 kPa相比，誤差為1.25%，不足5%，說明本文所建立的計(jì)算流體力學(xué)模型是可行的。

表3 原車進(jìn)氣系統(tǒng)試驗(yàn)背壓

3 方案改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)設(shè)計(jì)的目標(biāo)為在上述工況下的進(jìn)氣背壓從8 kPa降至4 kPa左右，同時(shí)要滿足消聲要求。

由圖4可知，進(jìn)氣壓力在空氣濾清器濾芯兩側(cè)和高頻管中段損失較大。濾芯不宜作過多改動(dòng)，因此改進(jìn)措施主要集中在高頻管結(jié)構(gòu)上。原始方案高頻管第2腔與第3腔之間管道頸縮處的壓力損失約占整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失的一半，因此考慮將該頸縮結(jié)構(gòu)改進(jìn)為直管結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)更改必然影響進(jìn)氣系統(tǒng)的降噪性能，為保證該性能，將進(jìn)氣系統(tǒng)原始方案在高頻管處的結(jié)構(gòu)作如下改進(jìn)（見圖5）：提高左側(cè)2個(gè)腔的穿孔率，使其變?yōu)閿U(kuò)張式吸聲結(jié)構(gòu)，改善中低頻消聲效果；調(diào)整后3個(gè)腔的穿孔率和腔體容積，改善高頻消聲效果；調(diào)整進(jìn)氣管和出口管的直徑，去除頸縮結(jié)構(gòu)，降低進(jìn)氣背壓。

圖5 高頻管結(jié)構(gòu)方案改進(jìn)示意

在Fluent中計(jì)算出改進(jìn)方案的進(jìn)氣系統(tǒng)壓力分布如圖6所示，與圖4對(duì)比可知，進(jìn)氣壓力在高頻管處的損失大幅降低。進(jìn)氣系統(tǒng)整體背壓的仿真計(jì)算結(jié)果為3.75 kPa，改進(jìn)方案實(shí)際測試結(jié)果為4.1 kPa，改進(jìn)方案在背壓方面滿足了設(shè)計(jì)要求。

圖6 改進(jìn)方案進(jìn)氣系統(tǒng)壓力分布

分別將原車和改進(jìn)方案的計(jì)算流體力學(xué)模型導(dǎo)入Virtual.Lab中進(jìn)行聲學(xué)傳遞損失（Transmission Loss，TL）仿真計(jì)算，獲得原車與改進(jìn)方案的TL曲線如圖7所示[6]。

圖7 進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)前、后TL曲線

由圖7可知，高頻管處結(jié)構(gòu)的改進(jìn)沒有影響進(jìn)氣系統(tǒng)消聲性能，且改進(jìn)后消聲計(jì)算仿真結(jié)果在低頻段（0～500 Hz）及高頻段（1 500 Hz以上）較原始進(jìn)氣系統(tǒng)方案有所提高。同時(shí)，進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)方案NVH主觀評(píng)價(jià)得分有所提高，滿足進(jìn)氣系統(tǒng)的降噪要求。

4 結(jié)束語

a.本文在Fluent中所采用的空氣流體仿真計(jì)算模型經(jīng)校準(zhǔn)可行，在進(jìn)氣背壓預(yù)測中可以作為通用的近似計(jì)算模型應(yīng)用。

b.應(yīng)用該模型對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果基本一致，解決了進(jìn)氣背壓過大的問題。從側(cè)面表明進(jìn)氣系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免階梯狀縮口，以保證進(jìn)氣順暢。

c.進(jìn)氣噪聲是在進(jìn)氣系統(tǒng)外壁結(jié)構(gòu)與空氣振動(dòng)耦合作用下產(chǎn)生的，對(duì)于高頻管處消聲降噪的具體機(jī)理有必要考慮到高頻管本身與內(nèi)部空氣的耦合振動(dòng)，仍需進(jìn)一步的研究。

1 王治林，成凱，林源.基于CFD的車輛進(jìn)氣系統(tǒng)流場仿真與分析.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2011（8）：265～269.

2 石來華，馮仁華.基于GT-Power模型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn).內(nèi)燃機(jī)車，2010（7）：28～35.

3 葉明輝，黃露，帥石金，等.基于一維、三維及耦合模型的汽油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn).車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2007（3）：44～49.

4 張傳謙，劉鑫明，孟國慶，等.客車進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的Fluent分析.客車技術(shù)與研究，2015（1）：35～37，46.

5 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

6 張志華，王桂林，劉遲.乘用車進(jìn)氣系統(tǒng)NVH&CFD開發(fā)案例.內(nèi)燃機(jī)與配件，2010（2/3）：4～13.

（責(zé)任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年3月19日。

Modified Design of A SUV Air Intake System

Wu Chaoqun1,Liu Linghao1,Hua Weijie1,Zhao Weijing1,Mei Wanglin2
（1.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070;2.FAW Haima Automobile Co.,Ltd.,Haikou 570216）

A SUV’s intake backpressure is too large.To solve this problem,we use software Fluent for air intake system modeling,and calibrate this model through test for fluid mechanics simulation.At the same time,the boundary conditions of computational fluid dynamics model are applied in Virtual.Lab software to forecast the acoustic performance of the air intake system.The design of the air intake system’s structure is improved with system backpressure and noise elimination as target.Sample preparation of the modified structure is made and evaluated,the results show that the air intake backpressure and intake efficiency are improved significantly,and the acoustic performance of the intake system is improved.

Air intake system,Back pressure,High frequency tube,Structure improvement, Acoustic performance

進(jìn)氣系統(tǒng) 背壓 高頻管 結(jié)構(gòu)改進(jìn) 聲學(xué)性能

U464.234

A

1000-3703（2017）04-0050-03