基于STAR-CCM+的汽車排氣系統(tǒng)分析及優(yōu)化

王春海

保定長安客車制造有限公司 河北省定州市 073000

1 引言

汽車排氣系統(tǒng)總成是汽車的關鍵零部件，其空氣動力性的好壞直接影響到排放、噪聲，并且對車輛的動力性、油耗也有比較大的影響[1]。通過數(shù)值模擬，從理論上分析排氣系統(tǒng)的各種性能，能夠很縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，降低試驗費用。

本文以某柴油機為例，借助CFD分析流體軟件STAR-CCM+對排氣系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)流場分析，并根據(jù)流場的壓強、速度矢量圖分析了其結構對排氣有效性的影響，最后簡單地提出了優(yōu)化方法。

2 理論基礎

排氣系統(tǒng)的CFD分析基于質量、動能、能量守恒的3個基本傳遞方程。對于處于湍流模式下的不可壓縮性流體采用標準k-ε兩方程模型。標準k-ε模型是個半經(jīng)驗公式，主要是基于湍流動能k和擴散率ε。k方程是個精確方程，ε方程是個由經(jīng)驗公式導出的方程[2]。

湍流動能k輸運方程：

湍流耗散率ε輸運方程：

式中：Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；Gb—由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項；YM—可壓湍流中脈動擴張的貢獻；C1z，C2z、C3z—經(jīng)驗常數(shù)；σk、σz—與湍流能k和耗散率對應的Prandtl數(shù)；Sk、Sz—用戶定義的源項。

均勻性系數(shù)UI用來直觀反映氣流分布的均勻性，其定義如下：

式中：A表示截面面積；Ai表示截面上單元面積；ui表示截面上單元的局部速度；u＿表示截面平均速度。

3 流場模擬與優(yōu)化

3.1 網(wǎng)格劃分

該排氣系統(tǒng)由催化轉化器（下文以DOC代稱）總成、顆粒捕集器（下文以DPF簡稱）總成、前消聲器總成、后消聲管總成等部分組成。提取出排氣系統(tǒng)的流體計算區(qū)域，并對模型進行如下簡化：將前排氣管總成、后消聲管總成的多孔管段的小孔做封閉處理。在hypermesh里生成面網(wǎng)格，再利用STAR-CCM+進行體網(wǎng)格劃分，采用切割體網(wǎng)格模型，基本尺寸為4mm，網(wǎng)格總數(shù)為370萬。網(wǎng)格模型如圖1所示。

3.2 邊界條件

流體介質為空氣，采用穩(wěn)態(tài)CFD分析，模擬工況為全速全負荷，質量流量進口；出口為壓力出口；DOC載體和DPF載體設為多孔介質區(qū)域，設定相應的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)；其余邊界設置為壁面邊界條件，湍流模型采用Realizable K-epsilon模型。

圖1 網(wǎng)格模型

圖2 壓力分布

圖3 前消聲器截面速度矢量分布

圖4 DPF截面速度矢量圖

圖5 優(yōu)化方案示意圖

圖6 優(yōu)化方案DPF截面速度矢量圖

3.3 原始模型計算結果及分析

經(jīng)結算得出，排氣系統(tǒng)的背壓為50.3KPa，壓力分布及前消聲器速度矢量分布，如圖2、圖3所示。從圖3中可以看出，當氣流在流動截面突然變化時（從管流向腔或從腔流入管），速度急劇減小或增大，渦流現(xiàn)象嚴重，從而增大壓損。

經(jīng)計算得出，DOC載體前端的均勻性系數(shù)為0.850，DPF載體前端的均勻性系數(shù)為0.881。

DPF截面速度矢量分布如圖4所示。從圖中看出，由于DPF入口前的彎管的導向作用，在氣流進入DPF端蓋后，有向下運動的趨勢，造成DPF載體前端的氣流分布不均。

3.4 優(yōu)化模型計算結果及分析

鑒于以上對DPF速度場的分析，發(fā)現(xiàn)DPF由于入口前彎管的影響和入口處于端蓋中心的布局，使得DPF載體的氣流均勻性不佳，有優(yōu)化空間。因此提出將DPF入口中心布置改為偏置布置，改動區(qū)域如圖5所示：

經(jīng)計算得出，優(yōu)化方案的排氣系統(tǒng)背壓為48.8KPa，較原始方案減少了1.5KPa。優(yōu)化方案的DPF載體前端均勻性系數(shù)UI為0.891，較原始方案提高了0.01，氣流均勻性有所改善。

圖6為優(yōu)化方案DPF截面速度矢量圖。從圖中看出，在DPF端蓋內的氣流比原始方案更靠近載體中心。

4 結語

通過對排氣系統(tǒng)進行CFD分析，得到以下結論：

（1）對排氣系統(tǒng)進行CFD分析，較好地模擬了排氣系統(tǒng)的流場情況，有利于評估和改進其工作性能；（2）通過將DPF進口端蓋由中心對稱改為偏置布置，能夠改進載體的氣流均勻性，也能夠減小整個排氣系統(tǒng)的背壓，改善排氣系統(tǒng)的排氣能力。