商用車高位引氣管進(jìn)氣特性數(shù)值仿真與優(yōu)化

唐榮江,胡賓飛,張 淼,陸增俊

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004；2.東風(fēng)柳州汽車有限公司商用車技術(shù)中心，廣西 柳州545005）

1 引言

進(jìn)氣系統(tǒng)是汽車最重要的組成部分之一。其主要功能是為發(fā)動機(jī)提供清潔、充足、干燥、溫度適中的空氣，滿足發(fā)動機(jī)燃料充分燃燒需求［1］。高位引氣管在進(jìn)氣系統(tǒng)中主要包括旋流管、排塵排水閥、減振波紋管、過渡管四部分的總成管道。其主要作用是將車身高處的污染程度小的空氣引到空氣濾清器中，具有高效率的預(yù)過濾作用，預(yù)過濾灰塵和水的效率均≥80%。高位引氣管的進(jìn)氣性能指標(biāo)包括進(jìn)氣阻力、進(jìn)氣流量、預(yù)濾塵、水的效率、容灰量、湍流狀況及速度分布等特性，這些特性很顯然影響著發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動力性及排放性。［1-2］

由于上述進(jìn)氣特性復(fù)雜性，很多汽車配件廠商在設(shè)計高位引氣管總成時一般依據(jù)試驗或?qū)?biāo)名企進(jìn)行仿制的，很少進(jìn)行深徹機(jī)理的研究。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）的方法對高位引氣管進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計也是一種重要的方法。文獻(xiàn)［3］研究了灰塵和水汽通過空氣過濾器到達(dá)發(fā)動機(jī)運動聯(lián)軸器內(nèi)部致使內(nèi)燃機(jī)磨損加劇，提出了空氣濾清器的維護(hù)方案；文獻(xiàn)［4］測量了柴油發(fā)動機(jī)動力車輛因堵塞而增加的空氣濾清器壓降，研究了兩種濾清器在正常和堵塞條件下的性能；文獻(xiàn)［5］研究了空濾器的聲學(xué)性能，提出基于CFD法的提取和設(shè)置濾芯聲學(xué)特性參數(shù)的方法；文獻(xiàn)［6］利用CFD方法研究了商用車空氣濾清器前進(jìn)氣道液滴的分離特性。不過這些研究主要針對空氣濾清器過濾灰塵、水汽的特性和進(jìn)氣道液滴分離特性開展的。目前很少有文章對商用車進(jìn)氣系統(tǒng)的高位引氣管進(jìn)行空氣動力學(xué)研究和進(jìn)氣特性的數(shù)值仿真。針對某款商用車高位引氣管進(jìn)氣阻力大預(yù)濾塵、水效率低問題，使用CFD軟件對高位引氣管的流場進(jìn)行仿真模擬，并且通過試驗驗證了仿真數(shù)值的準(zhǔn)確性。通過對比β=85°、65°、45°旋流扇夾角和不同波紋管通道的高位引氣管的進(jìn)氣阻力數(shù)值、進(jìn)氣阻力云圖及速度云圖等信息，展示了高位引氣管的進(jìn)氣阻力和預(yù)濾塵、水的進(jìn)氣特性，為提高商用車進(jìn)氣系統(tǒng)的預(yù)濾性能和降低進(jìn)氣系統(tǒng)阻力的優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支持。

2 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

2.1 模型建立

使用三維建模軟件建立高位引氣管的三種結(jié)構(gòu)的幾何模型，分別為模型I、II、III，幾何模型如圖1所示。三種模型不同之處在于：

（1）模型I、II、III旋流扇與氣流的夾角β（旋流扇扇面切線與氣流流速之間的銳角）分別為85°、65°、45°，旋流扇與氣流夾角示意圖，如圖1所示。

（2）模型I和模型II波紋管分別為雙通道和單通道，波紋管結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 模型I和模型II的波紋管Fig.2 The Bellow of Scheme I and II

2.2 網(wǎng)格劃分及數(shù)據(jù)采集

網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，邊界層3層，總厚度2mm，劃分網(wǎng)格時在旋流扇處和波紋管附近區(qū)域進(jìn)行局部加密，最小尺寸為2mm。其他區(qū)域的網(wǎng)格劃分為5mm，以提高收斂性和加快運算速度。3種結(jié)構(gòu)的邊界設(shè)定和網(wǎng)格劃均相同。簡化計算域和數(shù)據(jù)采集點，如圖3所示。

圖3 計算域及數(shù)據(jù)采集點示意圖Fig.3 Calculation Domain and Data Acquisition Diagram

3 數(shù)學(xué)模型建立

3.1 基本控制方程

以空氣在高位引氣管中流動為研究對象。提出以下仿真假設(shè)：

（1）即使商用車在最大載荷工況，進(jìn)氣道的進(jìn)氣速度也會小于0.1馬赫。

（2）高位引氣管中的進(jìn)氣氣體可看作密度不變、均勻、單一介質(zhì)的不可壓縮氣體；簡化為平均流體特性的單向流。

（3）工作過程溫度等溫、恒定。

（4）高位引氣管入口的氣流速度分布實際上不均勻，在仿真時，視為分布均勻的氣流流速。

基于上述的假設(shè)，列出整個高位引氣管內(nèi)部流場的不可壓縮湍流流動的控制方程組。［7］

質(zhì)量守恒方程：

式中：ui（i=1，2，3）—x1，x2，x3三個方向的速度分量，t—時間，ρ—密度。

動量守恒方程：

式中：ρ—空氣密度；μ—流體動力粘度；u—速度矢量。

聯(lián)立式（1）、（2）可以看出，方程無解。需要建立相應(yīng)的湍流模型方程進(jìn)行聯(lián)合求解計算。

RNG模型是在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型基礎(chǔ)上，利用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來的［8］。推導(dǎo)改進(jìn)的湍流模型的可信度和精度比原模型高。其湍動能和耗散率方程相似于標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型為：

湍動能k方程［8］：

湍動能耗散率方程［12］：

式中：Gb—由于浮力影響引起的湍流動能；Gk—速度梯度引起的湍流動能；Prt—湍動普朗克數(shù)，取Prt=0.85；ε—湍流動能耗散率，為湍流有效黏性系數(shù)；β—熱膨脹系數(shù)，一般取0.011～0.015；對于高雷諾數(shù)問題，取Cμ=0.0845，默認(rèn)C1ε=1.42，C2ε=1.68，C3ε=0.09；αk、αε—湍流動能及其耗散率的湍流普朗特數(shù)的倒數(shù)，取1.0，0.7。

基于上述理論的描述，選擇合適的仿真計算模型不僅對高位引氣管內(nèi)部流場做出正確的模擬，而且提高仿真精度和節(jié)約計算資源和時間成本，得到最優(yōu)的仿真結(jié)果。對比仿真與實驗的結(jié)果，使用仿真的手段對模型進(jìn)行優(yōu)化分析，降低實驗成本。

3.2 仿真邊界設(shè)定

將簡化后的幾何模型導(dǎo)入前處理軟件劃分網(wǎng)格。計算模型為高位引氣管內(nèi)部流場域。通過CFD軟件對幾何模型進(jìn)行模擬高位引氣管內(nèi)流場，定義以下邊界條件：

表1 條件參數(shù)設(shè)置Tab.1 Conditional Parameter Settings

3.3 實驗與仿真數(shù)據(jù)對比

對模型I高位引氣管做了臺架進(jìn)氣阻力實驗。選擇預(yù)濾處、波紋管處和出口處的空氣阻力作為測量點。將高位引氣管安放在實驗臺架上，進(jìn)氣工況選擇2100m3/h，忽略商用車特殊工況等條件。在預(yù)濾處、波紋管處和出口處分別布置了氣體壓力傳感器，來監(jiān)測高位引氣管總成的進(jìn)氣壓力響應(yīng)，進(jìn)而評價模型I的阻力水平，且用于對比仿真的數(shù)據(jù)。傳感器另一端連接計算機(jī)，實時監(jiān)測進(jìn)氣壓力測試位置，如圖4所示。

圖4 三處的進(jìn)氣阻力測試Fig.4 Three-place Intake Resistance Test

從測試和仿真結(jié)果可以看出，采用CFD仿真方法得到的預(yù)濾處、波紋處及出口處的進(jìn)氣壓力與實驗測試的數(shù)值基本吻合。實驗測量數(shù)值與仿真結(jié)果的對比如圖5所示。至于在預(yù)濾處的0.12kpa的誤差和波紋管處的0.1kpa的誤差主要是由于實驗的條件和仿真的條件存在一定差別。在允許的誤差情況下，CFD仿真的數(shù)據(jù)可以在一定的程度上代替實驗的數(shù)據(jù)。通過對CFD仿真的數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)高位引氣管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖5 實驗和仿真對比Fig.5 The Comparison of Simulation and Test

4 仿真結(jié)果分析

4.1 阻力流場分析

進(jìn)氣阻力是評價高位引氣管進(jìn)氣效率的重要指標(biāo)之一。為此，先從阻力水平分析三種模型的優(yōu)劣。模型I的阻力仿真云圖如圖6（a）所示，從圖中看出，β=85°的旋流扇模型進(jìn)氣口前后壓力梯度變化越大，壓力梯度增大導(dǎo)致進(jìn)氣阻力增大。從整體的管道壓力梯度而言，旋流扇的壓力梯度是最大的，所以預(yù)濾處的進(jìn)氣阻力對整體管道的進(jìn)氣阻力貢獻(xiàn)量最大。對比模型I，模型II的阻力仿真云圖如圖6（b）所示，在預(yù)濾處，模型II的進(jìn)氣壓力小于模型I，這說明β的大小改善了進(jìn)氣口的壓力梯度，降低了進(jìn)氣的阻力。分析模型波紋管處的進(jìn)氣阻力可知，模型I的進(jìn)氣壓力梯度最大，這是由于雙通道的設(shè)計致使管道中間存在隔板，隔板導(dǎo)致氣流流過該位置時，發(fā)生了氣流分流的現(xiàn)象，從而增大空氣阻力，提高了整體管道的進(jìn)氣阻力。

進(jìn)一步分析模型III的仿真云圖，如圖6（c）所示。相比模型I、II，45°旋流扇在進(jìn)氣口處的壓力梯度是最小的。從壓力梯度的減少上看，同樣是減少20°的夾角，模型II到模型III的壓力梯度減少量明顯大于模型I到模型II的壓力梯度減少量。因此，旋流扇夾角對進(jìn)氣阻力至關(guān)重要。評價三種模型，可知模型III是理想的高位引氣管。模型II、III在波紋管處的進(jìn)氣壓力梯度最低，對整體進(jìn)氣阻力的貢獻(xiàn)量最少，直通波紋管是最優(yōu)的選擇。

圖6 三種模型進(jìn)氣阻力云圖Fig.6 The Intake Resistance Cloud of Three Scheme

對比三款模型的流線圖，流線的數(shù)量反應(yīng)進(jìn)氣阻力的大小，模型III的進(jìn)氣阻力是最小的，同時，單位時間內(nèi)進(jìn)氣量也是最多的，如圖7所示。

圖7 進(jìn)氣口流線圖Fig.7 Air Inlet Streamline Diagram

4.2 速度場分析

上述分析可知，隨著旋流扇夾角β的減小，進(jìn)氣口的壓力梯度越來越小，進(jìn)氣的阻力越小。然而旋流扇本身設(shè)計是為了預(yù)濾塵、水，過小的β則達(dá)不到預(yù)慮塵、水的目的，為此需要進(jìn)一步分析進(jìn)氣口處的速度流場。

從三種模型的速度場分析可知，不管是壁面位置還是旋流扇中心的位置，三種模型在進(jìn)氣口的氣流流速都存在速度差；而模型I可以看出壁面的流速是高于旋流扇中心流速的；模型II模型III也是如此。模型III的速度梯度比模型I、II的速度梯度小很多。模型I的速度梯度最大，壁面的速度也最大；模型III的速度梯度最小，壁面的速度也最小。因此旋流扇夾角對進(jìn)氣口速度梯度影響較大，三種模型的速度流場，如圖8所示。

圖8 三種模型速度場梯度Fig.8 The Velocity Field Gradient of Three Scheme

從預(yù)濾塵、水效率水平分析，空氣是以渦流的方式進(jìn)入高位引氣管，速度梯度越大，壁面和進(jìn)氣口中心的速度差也就越大，過大的速度壓力差可以將空氣中的塵土和水分甩到旋流管的壁面上，從而提供干凈的空氣。速度壓力差越大，氣、液、固越容易實現(xiàn)分離，預(yù)慮塵、水的效率越高。波紋管不影響預(yù)濾效率，為此不做分析。

5 優(yōu)化改進(jìn)和仿真對比

通過上述分析，進(jìn)氣阻力主要來源于旋流扇，次要來源于波紋管。從阻力的水平評價，模型I的明顯大于模型II、III；模型III的進(jìn)氣阻力是最小的。從預(yù)濾塵、水的水平評價，模型I的預(yù)濾塵、水的效率是最優(yōu)的；而模型III預(yù)濾塵、水的效率是低于模型I和II的。旋流扇的夾角不僅影響著高位引氣管的進(jìn)氣阻力，而且對預(yù)濾塵、水的效率也有一定的影響。故而優(yōu)化以下兩個因素：

（1）根據(jù)β變化的影響趨勢，選擇β=55°的角度作為新模型。

（2）由于氣流分離，進(jìn)氣阻力較大（約200pa），選擇一整根直通的波紋管。

將新模型按照原模型參數(shù)進(jìn)行仿真分析。仿真測試數(shù)據(jù)如圖9所示，可以看出，新模型在預(yù)濾處、波紋管處、出口處的進(jìn)氣阻力分別減少到1.24kpa、1.26kpa、1.15kpa，相比于模型III增加了300～500pa，但提高了高位引氣管預(yù)濾塵、水的效率。結(jié)合實際的工程情況，β=55°的旋流扇與氣流流向的夾角和直通波紋管較好地改善高位引氣管的進(jìn)氣特性經(jīng)過進(jìn)氣口的流場分布，降低了高位引氣管的進(jìn)氣阻力和提高了預(yù)濾塵、水的效率，達(dá)到了優(yōu)化的目的。

圖9 四種模型進(jìn)氣阻力對比Fig.9 The Intake Resistance Comparison of Four Scheme

6 結(jié)論

（1）采用CFD軟件分析商用車高位引氣管的進(jìn)氣特性，得到高位引氣管內(nèi)部流場的進(jìn)氣阻力，發(fā)現(xiàn)旋流扇夾角和減振波紋管影響了進(jìn)氣阻力和預(yù)濾塵、水效率。仿真和實驗數(shù)據(jù)吻合良好，驗證了仿真模型的正確性，指導(dǎo)高位引氣管的優(yōu)化設(shè)計。

（2）通過對三款高位引氣管的進(jìn)氣特性數(shù)值仿真，得出β的大小是導(dǎo)致高位引氣管空氣阻力過大的原因，隨著角度的增大，空氣阻力也增大，預(yù)濾塵、水的效率響應(yīng)提高。另外波紋管處的壓力梯度也貢獻(xiàn)了整體管道進(jìn)去阻力。

（3）針對上述兩個相互制約的關(guān)系，確定了進(jìn)氣阻力為主要的優(yōu)化對象，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整β的角度，增大預(yù)濾塵、水的效率。故而，選擇β=55°的優(yōu)化模型。仿真數(shù)據(jù)的測量結(jié)果表：預(yù)濾處的進(jìn)氣壓力相對模型I減少到1.24kpa，波紋管處的壓力減少到1.26pa，出口處進(jìn)氣阻力減少到1.15kpa。