輕卡進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對系統(tǒng)流場特性的影響

徐 敏，王 棟,*，張清奎，張學(xué)龍，魏舒婷，汪祥支

（1.安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243061；2.安徽工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002）

前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車的普及率逐年上升，所帶來的噪聲問題也越來越嚴(yán)重，對于噪聲值較大的卡車等車型，必須對其進(jìn)行降噪處理，因?yàn)檫^大的噪聲會(huì)增強(qiáng)駕駛員的疲勞感，影響駕駛員的身心健康，甚至引發(fā)各種交通事故[1-2]。

學(xué)術(shù)界和工程界首先關(guān)注了排氣系統(tǒng)，對汽車排氣系統(tǒng)的降噪進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用，取得了令人滿意的成績[3-4]。進(jìn)氣噪聲也是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源之一[5]，然而，進(jìn)氣系統(tǒng)降噪的研究還不夠充分，近年來，行業(yè)內(nèi)的學(xué)者們開始逐步將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了汽車的進(jìn)氣系統(tǒng)[6]。路小金等[5]通過主觀評價(jià)的方法查找出某款汽車進(jìn)氣系統(tǒng)的最大噪聲源，之后據(jù)此設(shè)計(jì)出3種降噪消聲器并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，最終篩選出了最優(yōu)的降噪方案。楊德銀等[7]利用Virtual lab 仿真軟件對某款SMPV車的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，找出了加速過程中汽車內(nèi)部噪聲大的原因，然后設(shè)計(jì)了通過增加內(nèi)插管及諧振腔來提高進(jìn)氣系統(tǒng)傳遞損失的降噪優(yōu)化方案，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲得到了有效控制。

本文針對一款輕卡，依據(jù)其進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的主要貢獻(xiàn)頻率，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的諧振腔，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)其具有顯著的降噪效果，相關(guān)研究成果本課題組已經(jīng)進(jìn)行了公開報(bào)道[6]。然而，所設(shè)計(jì)的諧振腔加裝進(jìn)進(jìn)氣管后，其對系統(tǒng)流場的影響大小還不確定，本文將利用Fluent15.0流場分析軟件分別對加裝諧振腔前后的引氣管進(jìn)行流場特性模擬，以分析諧振腔設(shè)計(jì)的合理性。

1 諧振腔的結(jié)構(gòu)簡介

通過噪聲實(shí)驗(yàn)，得出原始進(jìn)氣管的噪聲主要貢獻(xiàn)頻率為：125 Hz、180 Hz、465 Hz、640 Hz，據(jù)此，并考慮實(shí)際的進(jìn)氣管空間情況，分別設(shè)計(jì)出了諧振腔1、2、3、4，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。

圖1 諧振腔結(jié)構(gòu)圖

2 進(jìn)氣管流場特性的數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 模型的簡化

流體在實(shí)際的流動(dòng)過程中，非常復(fù)雜，為減小模擬的工作量，需要進(jìn)行必要的假設(shè)以達(dá)到簡化計(jì)算的目的。本文在模擬時(shí)假設(shè)流體在恒溫狀態(tài)下進(jìn)行流動(dòng)，沒有熱交換，且流體為不可壓縮流體。

2.2 模型的建立

2.2.1 進(jìn)氣管幾何模型的建立

為防止雨、雪等外界水分進(jìn)入管道，在進(jìn)氣管的入口處設(shè)置了斜向上角度的格柵，進(jìn)氣管的幾何模型如圖2所示，其中（a）圖為原始進(jìn)氣管，（b）圖為加裝諧振腔后的進(jìn)氣管。

圖2 進(jìn)氣管幾何模型圖

2.2.2 引氣管流場網(wǎng)格的劃分

采用ICEM來進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在尺寸較小的部位（格柵和諧振腔）進(jìn)行局部加密，通過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，加裝諧振腔之前的進(jìn)氣管選擇網(wǎng)格數(shù)量約為78萬，而加裝諧振腔后的進(jìn)氣管網(wǎng)格數(shù)量約為112萬。圖3為進(jìn)氣管的流場網(wǎng)絡(luò)圖，其中（a）圖為原始進(jìn)氣管，（b）圖為加裝諧振腔后的進(jìn)氣管。

圖3 進(jìn)氣管流場網(wǎng)格圖

2.2.3 流場數(shù)值計(jì)算邊界條件的設(shè)置

經(jīng)過計(jì)算得出進(jìn)氣管內(nèi)為湍流流動(dòng)，采用Standard k-ε湍流模型來進(jìn)行數(shù)值模擬，通過流體的流量和進(jìn)氣管的入口面積來確定入口速度，該模擬所設(shè)置的邊界條件為：入口采用速度入口；出口采用壓力出口；壁面為無滑移邊界，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。

2.3 結(jié)果分析與討論

所研究的進(jìn)氣系統(tǒng)工質(zhì)流量為500 m3/h，在進(jìn)行研究時(shí)，通過改變空氣流量來設(shè)定5種工況（分別為200 m3/h、300 m3/h、400 m3/h、500 m3/h、600 m3/h）進(jìn)行流場的模擬。模擬結(jié)果表明，雖然流量不斷改變，但進(jìn)氣管內(nèi)部流場的分布趨勢變化不大，因此，本文僅選擇一個(gè)工況（500 m3/h空氣流量）進(jìn)行結(jié)果分析和討論。

圖4為相同流量的條件下，加裝諧振腔前后的進(jìn)氣管流場分布云圖，其中（a）圖為速度云圖，（b）圖為靜壓云圖。從圖4（a）可以看出，格柵對氣流的進(jìn)入產(chǎn)生了阻擋，導(dǎo)致氣流速度下降；諧振腔內(nèi)部氣流速度很小表明了進(jìn)入的空氣量不大；而在加入諧振腔前后，進(jìn)氣管道的主體部分氣流速度變化較小，這說明加入諧振腔基本不影響進(jìn)氣管內(nèi)部的速度場。從圖4（b）可以看出，原始進(jìn)氣管內(nèi)存在局部負(fù)壓區(qū)，這是因?yàn)橛袦u流存在，而加裝諧振腔后，這種情況得到了有效改善，進(jìn)氣管內(nèi)部壓力分布更加均勻。從氣流的速度和靜壓兩個(gè)角度進(jìn)行分析，結(jié)果均表明，加裝諧振腔對進(jìn)氣管道的流場分布影響很小，不產(chǎn)生破壞作用。

圖4 加裝諧振腔前后，進(jìn)氣管流場分布云圖

圖5 顯示了不同流量的條件下，進(jìn)氣管在加裝諧振腔前后的壓降對比。很顯然，兩者壓降隨流量的變化有相同的變化趨勢。由圖5還可看出，流量的增大加速了壓降的增加，這是由于流量越大，管內(nèi)氣流擾動(dòng)越劇烈所導(dǎo)致的，在加裝諧振腔以后，進(jìn)氣管壓降有了增加，但增幅不足6%，這表明流場并未受到大的干擾。

圖5 不同流量下原始引氣管與優(yōu)化后引氣管的壓降

3 結(jié)論

本文以一款輕卡的進(jìn)氣系統(tǒng)為研究對象，為其設(shè)計(jì)了諧振腔以降低噪聲，采用Fluent15.0流場分析軟件對加裝諧振腔前后的進(jìn)氣管流場特性進(jìn)行了模擬，從氣流的速度和靜壓及整個(gè)進(jìn)氣管的壓降角度進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示：所設(shè)計(jì)的諧振腔在具有良好降噪效果的前提下，對整個(gè)管道內(nèi)的流場產(chǎn)生的影響極小，壓降的增幅不超過6%，流場特性未受到干擾。這表明，所設(shè)計(jì)的諧振腔具有很好的合理性。