基于CFD流場特性分析發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計

郭 晟，于國慶

（1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代制造工程系，四川 宜賓644000；2.河北科技大學(xué)，河北 石家莊050018）

1 引言

進(jìn)排氣系統(tǒng)既要為發(fā)動機(jī)提供充足的空氣，同時又要滿足發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣背壓和排放法規(guī)噪聲控制的要求，對整機(jī)的正常工作具有重要的影響。傳統(tǒng)試驗分析的方法對系統(tǒng)進(jìn)行研究，需要耗費大量的人力和物力，而且精度較低［1］。隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬的方法對系統(tǒng)進(jìn)行流場特性分析進(jìn)而開展設(shè)計和優(yōu)化，簡單方便而且準(zhǔn)確性高，可有效壓縮設(shè)計成本。因此，對此進(jìn)行研究具有重要的應(yīng)用價值。

國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)［2］基于CFD發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口位置和管道布置已達(dá)到最優(yōu)的進(jìn)排氣流場分布；文獻(xiàn)［3］對進(jìn)氣歧管和渦輪增壓器進(jìn)口處溫度進(jìn)行分析，通過改變溫度分析對發(fā)動機(jī)的燃燒過程和冷卻能力影響；文獻(xiàn)［4］分析不同層級的空氣濾芯對進(jìn)氣速度和流場分布的影響；文獻(xiàn)［5］基于發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣試驗臺對進(jìn)排氣背壓對發(fā)動機(jī)功率和溫度的影響。

根據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，針對進(jìn)氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、消聲器等進(jìn)行選型設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計；保證各部分結(jié)構(gòu)滿足發(fā)動機(jī)的壓力和流量要求；采用理論分析計算、CFD建模仿真分析、試驗臺驗證分析等相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計分析。對排氣管和消音器進(jìn)行三維計算流體模擬仿真，得到速度場、壓力場的分布圖，并對設(shè)計關(guān)心的進(jìn)出口壓差進(jìn)行計算；特別對消聲器的穿孔板部分采用了多孔階躍邊界條件進(jìn)行處理；采用試驗方法對消聲器設(shè)計進(jìn)行驗證。

2 進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

進(jìn)排氣系統(tǒng)屬于發(fā)動機(jī)最重要的附屬結(jié)構(gòu)部分之一［6］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)動機(jī)附屬結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Engine Accessory Structure

如圖1所示，進(jìn)排氣系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)包括空濾器、進(jìn)氣管、排氣管和消聲器。進(jìn)氣系統(tǒng)由于相對簡單，一般情況下只要保證發(fā)動機(jī)有足夠的進(jìn)氣流量，以及達(dá)到發(fā)動機(jī)對進(jìn)氣阻力的要求即可，在實際工程實踐中一般對進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計的最大難點在于空間的布置［7］。而排氣系統(tǒng)由于牽涉到排氣背壓（可影響發(fā)動機(jī)效率）及排氣噪聲其設(shè)計計算就相對復(fù)雜一些，其重點難點是消音器的設(shè)計與模擬仿真［8］。

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)選型設(shè)計

對發(fā)動機(jī)而言，進(jìn)氣系統(tǒng)的要求包含兩個方面：（1）最大進(jìn)氣阻力，所選擇的空濾濾芯必須滿足不同工況下的最大允許壓力要求［9］，空氣濾清器結(jié)構(gòu)，如圖2所示。某發(fā)動機(jī)進(jìn)氣要求，如表1所示；（2）進(jìn)氣流量的要求，針對所研究的發(fā)動機(jī)而言，其要求的每側(cè)進(jìn)氣量為904.5L/s。

表1 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣要求Tab.1 Engine Intake Requirements

圖2 空濾內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Air Filter Internal Structure

在進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計過程中，首先應(yīng)該保證進(jìn)氣阻力滿足發(fā)動機(jī)使用要求，因而首先計算該選型的總進(jìn)氣阻力，完成進(jìn)氣阻力的校核。整個進(jìn)氣過程的總阻力包括兩個部分，一是空濾濾清過程產(chǎn)生的阻力，二是進(jìn)氣管道產(chǎn)生的沿程阻力。整個進(jìn)氣過程的總阻力［10］：

式中：P1-空濾器進(jìn)氣阻力；P2-其余管道總阻力。

所選擇的空濾器進(jìn)氣阻力（濾芯干凈時）：8英寸/237mm水柱高度；管道總阻力包括135°的10英寸直徑的彎管、135°的5.5英寸彎管、0.5英尺長的10英寸管、3.3英尺長的（10-5.5）英寸變徑管、2.88英尺長的5.5英寸直管。經(jīng)查管道阻力對應(yīng)表得其總阻力為2.079英寸/52.8mm水柱高度。

而后進(jìn)氣流量校核，選擇空濾的首要條件就是其進(jìn)氣流量要滿足要求。所選重型空濾，其單個最大流量是：972.27L/s＞904.5L/s，滿足發(fā)動機(jī)要求。

2.3 排氣系統(tǒng)設(shè)計

發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)一般包括：波紋管、排氣硬管、消音器等部件，有時為了防止排氣的高溫對車輛其他零部件或總成產(chǎn)生不利影響，一般會在管道外部包裹隔溫材料。為寒冷地區(qū)設(shè)計的排氣系統(tǒng)一般有消聲器與貨箱底板加熱的切換設(shè)計。在排氣系統(tǒng)的設(shè)計過程中一定要注意軟連接的應(yīng)用，特別是發(fā)動機(jī)渦輪增壓器處必須連接波紋管，以防止給增壓器過大的載荷，使高溫狀態(tài)下增壓器產(chǎn)生變形損壞。

（1）排氣管道CFD模擬，如圖3所示，為一個典型CFD流體模擬仿真計算的流程圖。依照上述步驟首先對排氣管進(jìn)行三維建模，然后倒入Fluent前處理程序Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示，完成網(wǎng)格劃分后的排氣管模型。而后設(shè)置邊界條件，采用k-ε湍流模型進(jìn)行模擬，得到排氣管的進(jìn)出口壓力差，如表2所示。而后可得到排氣管速度、靜壓、總壓等分布圖，如圖5所示。

圖3 CFD仿真計算流程圖Fig.3 CFD Simulation Calculation Flow Chart

圖4 排氣管網(wǎng)格圖形Fig.4 Exhaust Pipe Grid Pattern

圖5 排氣管流場分析結(jié)果Fig.5 Exhaust Pipe Flow Field Analysis Result

表2 排氣管進(jìn)出口壓力Tab.2 Exhaust Pipe Inlet and Outlet Pressure

由圖5的速度矢量和壓力分布圖可知，所設(shè)計的排氣管路比較合理，未出現(xiàn)明顯的真空負(fù)壓區(qū)。由表2可知進(jìn)出口的壓差為1716Pa。

（2）消音器設(shè)計及仿真，針對沒有發(fā)動機(jī)的排氣噪聲頻譜圖的實際情況，不采用控制噪聲幅值大的頻率的方法。

①結(jié)構(gòu)設(shè)計

消音器的進(jìn)口直徑一般采用與發(fā)動機(jī)排氣管到消音器進(jìn)口端的管道的直徑相等的設(shè)計方法，所以消音器的進(jìn)口直徑d為已知的。根據(jù)統(tǒng)計資料可以得出礦用車的消聲器的擴(kuò)張比M（消音器擴(kuò)張腔的橫截面積與消音器進(jìn)口處管道的橫截面積之比）的取值范圍一般為2～10，消音器的長寬比（消音器的長度與直徑的比值）取值一般為1.5～5。因此可以算擴(kuò)張腔的直徑D和消音器的長度。由以上消音器的外殼尺寸大體的可以確定［15］。

式中：d-消聲器進(jìn)口直徑；M-消音器擴(kuò)張腔的橫截面積與消音器進(jìn)口處管道的橫截面積之比。

典型的單節(jié)擴(kuò)張腔消音器對一些頻率不起作用，相應(yīng)的頻率被稱為通過頻率。如果采用內(nèi)插管結(jié)構(gòu)，一端插入擴(kuò)張部分長度的1/4，一端插入1/2，如圖6所示，那么就可以衰減一部分的通過頻率。因此，為了更好的消音性能采用以上內(nèi)插管的結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)插管中的空腔直徑可以根據(jù)經(jīng)驗給出，如果空腔直徑大了，則對發(fā)動機(jī)動力性能比較好。

圖6 消音器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Silencer Structure

②消音器傳遞損失的計算

消音器傳遞損失TL，可以用傳遞矩陣計算，

式中：A、B、C、D-聲場傳遞矩陣的四個子式。

此消音器的傳遞矩陣是由基本的消音單元相乘得到。此消音器用到的消音單元包括直管段與兩個穿孔管段。對于直管段，設(shè)剛性直管的長度l，橫截面積為S，入口的聲壓和體積速度分別為p1、U1，入口的聲壓和體積速度分別為p2、U2，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 消音器直管單元Fig.7 Silencer Straight Tube Unit

根據(jù)聲場傳遞矩陣的定義可得直管的聲場傳遞矩陣為：

圖8 消音器穿孔管單元Fig.8 Silencer Perforated Pipe Unit

穿孔管段的聲場傳遞矩陣為：

③消音器流場分析

利用Fluent軟件，對消音器進(jìn)行三維建模而后進(jìn)行流場分析，獲得壓力損失與流場速度壓力分布情況。對于有限元模擬的三個步驟，建模，劃分網(wǎng)格都很容易，網(wǎng)格模型如圖9所示。在消音器的模擬過程中最值得一提的是穿孔板多孔介質(zhì)的設(shè)置，采用了porous-jump定義其邊界條件，既很好的模擬了多孔結(jié)構(gòu)，同時又避免了過大的模型對模擬的不利影響。

圖9 消聲器三維模型網(wǎng)格Fig.9 Muffler 3D Model Mesh

設(shè)置好各種條件后計算，經(jīng)230步迭代完成計算，殘差圖、壓力損失圖、速度云圖、速度矢量圖如圖10所示。如表3所示，為消音器進(jìn)出口壓力的情況。

由圖10和表3的分析結(jié)果可知，消聲器流場分布均勻，進(jìn)出口的壓力損失為1802.38Pa。排氣管和消聲器總壓損為1716Pa+1802.38Pa，共計3518.38Pa即為3.52KPa。所研究的發(fā)動機(jī)的排氣背壓要求為不大于6.1KPa，即所設(shè)計的系統(tǒng)滿足要求。

表3 消音器進(jìn)出口壓力Tab.3 Muffler Inlet and Outlet Pressure

圖10 消聲器流場分析結(jié)果Fig.10 Muffler Flow field Analysis Result

3 試驗分析

根據(jù)《聲學(xué)消聲器測量方法GB/T4760-1995》的要求建立排氣系統(tǒng)消聲器實驗臺。將所設(shè)計的排氣管和消聲器安裝到試驗平臺上，首先根據(jù)發(fā)動機(jī)排氣量和流速進(jìn)行噪聲測試，獲取該消聲器的消音效果圖，如圖11（a）所示；再通過改變排氣量速度，獲取不同流速下的消聲效果如圖11（b）所示。

如圖11（a）所示，根據(jù)法規(guī)要求，排氣系統(tǒng)必須把排氣噪聲消減到符合法令標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)上公認(rèn)的要求水平，而工程機(jī)械一般降噪水平為12到18dBA；可知所設(shè)計的消聲器最高可達(dá)40dBA，可知消聲結(jié)果滿足要求；由圖12（b）可知，消聲器的消聲量隨著流速增加整體下降，但下降幅度不同；而達(dá)到發(fā)動機(jī)的排氣流量流速時，壓力損失為1869.12Pa，而設(shè)計值為1802.38Pa，二者的誤差為3.72%，結(jié)果基本一致，表明設(shè)計結(jié)果是可靠的。

圖11 消音器消音效果圖Fig.11 Silencer Silencer Effect Diagram

4 結(jié)論

針對發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計分析，包括進(jìn)氣管、排氣管和消聲器，采用CFD分析和試驗相結(jié)合的方法進(jìn)行驗證，結(jié)果可知：

（1）發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)必須滿足最大進(jìn)氣阻力和進(jìn)氣流量的要求，最大進(jìn)氣阻力包括空濾濾清過程產(chǎn)生的阻力和進(jìn)氣管道產(chǎn)生的沿程阻力，空濾器進(jìn)氣阻力（濾芯干凈時）：8英寸/237mm水柱高度；管道總阻力為2.079英寸/52.8mm水柱高度；單個最大流量是：972.27L/s＞904.5L/s，滿足要求；

（2）排氣系統(tǒng)的排氣管路和消聲器總壓損為3.52KPa，滿足發(fā)動機(jī)排氣背壓要求；同時系統(tǒng)的CFD分析結(jié)果表明管道布局合理，無真空區(qū)和負(fù)壓區(qū)，氣流順暢；

（3）試驗結(jié)果表明，消聲器消聲效果最高可達(dá)40dBA，可知消聲結(jié)果滿足要求；消聲器的消聲量隨著流速增加整體下降，但下降幅度不同；而達(dá)到發(fā)動機(jī)的排氣流量流速時，壓力損失為1869.12Pa，而設(shè)計值為1802.38Pa，二者的誤差為3.72%，結(jié)果基本一致，表明設(shè)計結(jié)果是可靠的。