基于CFD的重型卡車高位進氣管性能分析及優(yōu)化

侯峨明，姚 瑤，梁奉典

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

重型卡車的進排氣系統(tǒng)作為發(fā)動機的關鍵附件，對發(fā)動機燃油消耗率及其他性能有著極大的影響。進氣系統(tǒng)主要由高位進氣管、空氣濾清器總成及聯(lián)接管路和支架組成?？紤]到重型卡車的運行工況較為惡劣，為了延長空氣濾清器濾芯的使用壽命，一般情況下高位進氣管均設計有預過濾功能，即高位進氣管作為一級過濾，空氣濾清器為二級過濾，將潔凈的空氣經(jīng)進氣管路輸送給發(fā)動機。為降低濾芯更換次數(shù)，降低整車使用成本，高位進氣管的除塵設計至關重要[1]?，F(xiàn)代物流對時效性要求極其嚴格，要求作為運載工具的重型卡車在雨天仍需要高速行駛，高位進氣管必須具有一定的防水性能。

如果高位進氣管沒有足夠的防水功能，車輛高速行駛時，雨水會順著進氣管路進入空濾器，嚴重時會將濾芯的濾紙浸濕，濾芯失效最終導致發(fā)動機燃燒不良或損壞[2]。

重型卡車的高位進氣管常固定于駕駛室后圍，需同時兼顧流體性能及駕駛室整體造型的美觀性，形狀復雜不規(guī)則，一般難以通過常規(guī)的流體力學模型進行模擬計算。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬分析技術開始廣泛應用于設計，計算流體力學（computational fluid dynamics）是一種用計算機模擬來代替實驗設備對流場中各相流體運動規(guī)律進行分析研究的方法。它以仿真計算及圖像顯示的方式，對高位進氣管設計、改進過程提供指導，能夠在很大程度上減小工作量，縮短設計周期，節(jié)約人力物力[3]。本文利用CFD軟件對一種重型卡車高位進氣管的三種內(nèi)部結構進行數(shù)值模擬，對模擬結果進行分析與對比，提高高位進氣管的預濾效率與水分離效率。

1 高位進氣管流體動力學仿真計算

1.1 結構描述

應用CATIA軟件建立高位進氣管的三維模型，結構如圖1所示。高位進氣管由高位進氣管本體、進氣防水格柵、直通式旋流管模塊及旋流板上、下隔板組成。

圖1 高位進氣管總成結構示意圖

三種直通式旋流管結構如圖2所示。直通管結構不變，分別對葉輪的長度、葉片的角度以及旋流管的口徑進行調(diào)整。相較于結構1（基礎型），結構2的葉輪結構不同。

圖2 三種不同結構直通式旋流管結構示意圖

1.2 模型處理及網(wǎng)格劃分

CATIA軟件建立的幾何模型可以準確的表示高位進氣管的結構，但某些細節(jié)或結構對分析影響不大時，可以對該細節(jié)或結構進行適當簡化。在保證研究對象結構完整的情況下，將不必要的短邊進行簡化。同時，為了后續(xù)網(wǎng)格的劃分，可以將相對復雜的幾何結構劃分成不同的集合區(qū)域進行不同精度的網(wǎng)格劃分。

提取流體流經(jīng)區(qū)域得到流體分析模型，簡化不必要的圓角和尖角。將處理好的模型導入Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格。

1.3 邊界條件設定

為了便于分析，假設工作過程為等溫過程，介質(zhì)為靜態(tài)不可壓縮的理想氣體，即空氣密度為常數(shù)，采用K-?湍流模型。高位進氣管進口質(zhì)量流量為0.6 kg/s，標準大氣壓P=101325 Pa，空氣密度取1.205 kg/m3。

1.4 高位進氣管CFD模擬計算分析

對三種高位進氣管總成進行CFD分析，結果如圖3所示，高位進氣管內(nèi)部為負壓區(qū)。

圖3 三種結構高位進氣管總成壓力云圖

匹配結構1和結構2旋流管總成的高位進氣管總壓降數(shù)值接近，壓力分布較為均勻，旋流管葉片的角度和長度對進氣阻力影響較小。匹配結構3旋流管時，由于錐形管的入口口徑減小，導致氣體流通面積明顯降低，進氣阻力明顯增大，高位進氣管總成的進氣阻力上升148%。旋流管部分是壓降的主要來源。

2 不同旋流管灰塵過濾效率分析

2.1 邊界條件設定

為與臺架試驗數(shù)據(jù)進行對比，參考QC/T 32《汽車用空氣濾清器試驗方法》[4]，灰塵過濾效率模擬分析單位時間加灰濃度按1g/m3，灰塵粒子尺寸分布按表1。

表1 270目石英砂粒子尺寸分布圖

同時，為了簡化計算，進行以下假設：

（1）計算灰塵粒子為密度恒定的球形顆粒，且在運動過程中無破損、變形和劇集等現(xiàn)象；

（2）灰塵粒子與空氣間無能量交換；

（3）灰塵粒子進口速度與流體速度相同，且在入口處均勻分布；

（4）灰塵粒子在流體中占據(jù)的質(zhì)量百分比相對較少，視為離散相；

（5）溫度恒定。

由于高位進氣管整體模型計算量大，對計算機硬件要求較高，為避免長時間的運算對項目開發(fā)周期的影響。僅對三種旋流管的灰塵分離效率進行分析?？紤]重力因素的影響，建立圖4模型，如下所示。

圖4 旋流管灰塵過濾效率分析示意圖

2.2 不同旋流管灰塵分離效率結果

通過旋流管的灰塵粒徑分布如圖5所示。被分離的灰塵顆粒以大粒徑為主，通過旋流管的灰塵多為小粒徑顆粒，如下圓圈所示。

圖5 旋流管灰塵粒徑尺寸分布圖

結構2的灰塵過濾效率較結構1提升了36.1%，說明通過調(diào)節(jié)葉片角度和葉輪長度可以顯著改善除塵效果。結構3的灰塵過濾效率較結構1提升了61.5%，通過減小錐形管口徑可以有效阻止灰塵通過，提高灰塵過濾效率。

3 不同旋流管雨水分離效率分析

3.1 邊界條件設定

水分離效率模擬分析單位時間進水量按30 L/h，水滴粒徑分布按表2：

表2 水滴粒徑分布表

3.2 不同旋流管雨水分析效率結果

通過旋流管的雨水粒徑尺寸圖6所示，通過旋流管的多為小粒徑水滴，大直徑水滴受重力影響，大部分在旋流管葉片段被分離，如下圖圓圈內(nèi)所示。

圖6 旋流管雨水粒徑尺寸分布圖

結構2的雨水過濾效率較結構1提升了3.3%，說明調(diào)節(jié)葉片角度和葉輪長度，對旋流管的雨水分離效率影響不大。結構3的雨水分離效率較結構1提升了27.8%，通過減小錐形管口徑明顯增加雨水分離效率。

4 結論

（1）通過模擬計算分析可以得到三種結構高位進氣管的壓降，旋流管葉片的角度和長度對進氣阻力影響較小，但旋流管的口徑對壓降影響較大。

（2）灰塵分離效率方面，因為旋流管葉片角度和長度不同，結構2、結構3比結構1改善明顯，結構3效果更好。

（3）雨水分離效率對旋流管葉片角度和長度不敏感，縮小旋流管的出氣端進氣口徑可顯著提升雨水分離效率。

（4）根據(jù)以上三項性能參數(shù)分析結果，平衡油耗和濾芯的保養(yǎng)周期，可將方案2應用于方案設計及樣件制作進行驗證。