基于WAVE 和VECTIS 聯(lián)合仿真的空濾器設計計算研究

李 楊 高宏亮 倪小南

（大長江集團有限公司研發(fā)中心 廣東 江門 529000）

引言

傳統(tǒng)的空濾器結構開發(fā)流程是采用經(jīng)驗設計加上反復試驗，多次修正的方法進行設計，在設計開發(fā)中存在較大的盲目性和局限性，不僅設計開發(fā)周期長、耗費大，而且較難得到理想的方案。

近年來，隨著商業(yè)軟件的普及，很多學者和工程師開始采用CFD 軟件進行空濾器的優(yōu)化設計，如趙樹恩等[1]和曾洪濤等[2]利用FLUENT 軟件，通過對空濾器結構的優(yōu)化來改善空濾器的阻力損失和提高濾芯的利用率；賈彥龍等[3]利用STAR-CD 軟件，通過改變空濾器進氣入口的角度使得渦流大小和位置改變從而降低空濾器的阻力損失。唐剛志等[4]通過試驗獲得空濾器濾芯的阻力特性參數(shù)，在此基礎上開展了空濾器總成阻力成分CFD 計算，并提出了降低阻力損失改進措施。此外，空濾器除了進氣和空氣過濾外，也是影響進氣聲品質的重要聲學元件，成為最近研究的熱點，例如朱廉潔等[5]指出濾紙的考慮與否對空濾器中高頻消聲性能有很大的影響。曹培元等[6]利用聲學軟件Sysnoise 對空濾器總成進行聲學性能計算，再結合FLUENT 壓降分析，最終使得傳遞損失和壓力損失得到改善。雖然空濾器在壓降分析、濾芯的利用率以及聲學改善上都取得了長足的進步，但是絕大多數(shù)基本上都是針對空濾器自身進行流場和聲學研究，而對于車輛用空濾器，空濾器作為進氣系統(tǒng)中的一個節(jié)點單元，除了考慮自身的各種特性外，還需要重點關注其系統(tǒng)性，即在整個發(fā)動機工作循環(huán)系統(tǒng)中考慮空濾器的聲學及進氣性能等。為此，本文基于里卡多專業(yè)軟件WAVE 和VECTIS，綜合系統(tǒng)分析和詳細結構分析來探討空濾器的設計開發(fā)。

本文基于WAVE 軟件建立了發(fā)動機性能計算模型，并根據(jù)發(fā)動機性能目標提出了空濾器概念設計的主要設計參數(shù)：包含了空濾器總容積、空濾器進氣管規(guī)格以及出氣管規(guī)格。此外，一維系統(tǒng)性研究進氣脈動性，通過計算分析獲取了每個出氣管進氣流量隨曲軸轉角的變化規(guī)律；同時，基于一維系統(tǒng)分析結果，對空濾器的詳細結構進行了三維CFD 分析。

1 數(shù)值模擬計算

1.1 一維性能計算

如果把發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)看作為各個零部件的串并聯(lián)單元，那么空濾器就是發(fā)動機進氣系統(tǒng)中一個單元節(jié)點。它在進氣系統(tǒng)中，除了完成發(fā)動機進氣和過濾空氣外，還是重要的消聲元件，空濾器本體和進出管路，構建了兩個聲學子系統(tǒng)。其一，構建了一端封閉和一端開口的管路聲學系統(tǒng)：即空濾器本體、空濾器出氣管到發(fā)動機進氣門的管路系統(tǒng)；另一個管路聲學系統(tǒng)是兩端開口的管路聲學系統(tǒng)：即大氣環(huán)境、空濾器本體和空濾器進氣系統(tǒng)。這里空濾器本體在聲學系統(tǒng)中屬于膨脹腔室。

此外，空濾器在發(fā)動機進氣系統(tǒng)中，作為一個重要的單元節(jié)點，制約著發(fā)動機的充氣效率。因此，空濾器在概念設計初期，必須考慮它的系統(tǒng)性，即它與發(fā)動機及整車進氣系統(tǒng)的匹配關系。

在空濾器概念設計階段，可以將空濾器簡化為一個進氣管、膨脹腔室和一個出氣管。針對干凈腔和污染腔的容積比例以及詳細結構等細節(jié)，在這個階段可以不做考慮。但是需要考慮濾芯的布置方向、濾芯的材質類型以及布置濾芯的窗口等概念選型。

基于一維熱力學WAVE 計算模型，根據(jù)發(fā)動機性能目標要求，優(yōu)化出空濾器總容積、空濾器進氣管長度及隨長度變化的直徑、空濾器出氣管長度及隨長度變化的直徑，作為空濾器詳細設計的關鍵輸入?yún)?shù)。同時，通過發(fā)動機性能計算模型得到了左右缸分別對應的空濾器左右出氣管的瞬時流量，如圖1所示。左右出氣管的最大流量相隔接近180°曲軸轉角。該一維系統(tǒng)分析結果將作為空濾器三維CFD 計算的邊界條件。

圖1 空濾器出氣管瞬時流量

1.2 空濾器流場CFD 計算

空濾器的概念設計是整個空濾器設計階段重要的節(jié)點。概念設計主要包括了空氣濾的總容積、空濾器進氣系統(tǒng)的布置和空濾器出氣管路的布置等以及在整車總體布置等。概念設計鎖定的參數(shù)，作為空濾器詳細設計的輸入條件，當詳細的3D 設計完成，需要進行CFD 分析，其目的是評估空濾器總成流動狀態(tài)，挖掘減小流動阻力損失的潛力；同時評估濾芯的利用率，為設計改進提供解決方案。

1.2.1 幾何模型

一維性能計算完成后，進行空濾器總成的詳細設計，設計后的空濾器干凈腔一側的狀態(tài)，如圖2 所示，包含了右管和左管、濾芯窗口位置以及空濾器進氣口。

圖2 空濾器3D 模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)據(jù)模擬前處理的關鍵一步，劃分質量的好會直接決定了數(shù)值模擬計算的精度以及計算的時間和收斂的速度。本文以里卡多VECTIS 軟件自帶前處理PHASE1 平臺，進行了網(wǎng)格的劃分設置，如圖3a 所示，為了準確模擬通過進出氣管處的流動，在空濾器進氣管和出氣管壁面進行了網(wǎng)格加密，如圖3b 所示。

圖3 空濾器網(wǎng)格劃分

為了捕捉出氣管喇叭入口的流動，在喇叭口壁面和喇叭口周圍網(wǎng)格進行了深度加密（Depth=3.blending distance=2）的設置，另外在進出氣管管口靠近空濾器殼體壁面的流動也較為復雜，也進行了DEEP=2，F(xiàn)ORCE=2 加密塊的設置。

1.2.3 數(shù)學模型及邊界條件

數(shù)學模型：求解的方程包括質量守恒方程、動量方程、湍流模型以及能量方程。因為本文計算采用商業(yè)軟件，而非自編程序，上述詳細的數(shù)學模型就不再逐一列出。

本文基于瞬態(tài)計算，出口流量采用了WAVE 性能計算模型中輸出的結果，流量是基于曲軸轉角變化的。

邊界條件：

1）進口邊界：靜壓100 kPa；2）出口邊界：流量；3）環(huán)境溫度：25°；4）壁面溫度：均設置為絕熱；5）濾芯采用多孔介質處理，濾芯的阻力特性，采用流量試驗臺測試結果。

2 計算結果

首先對空濾器左出氣管及空濾器腔室內其它流動狀態(tài)分析，選取了570°CA 曲軸轉角時刻，如圖4所示。從圖中流動跡線可以看出：出氣管內氣體流速是不均勻的，在沿管路周線方向上呈現(xiàn)不同的流速梯度，這主要是進氣壓力波脈動導致的。從圖可知：空濾器干凈腔內氣體向出氣管內流動時，在出氣管的入口段產(chǎn)生一定流動損失，為了降低該局部流動損失，增加進氣量，在空濾器的出氣管入口設計了一定規(guī)格的喇叭口。這是因為管口邊界層效應而導致的實際主流氣體的流動橫截面減小，從而降低氣體從腔室進入管道的流量。引入喇叭口進氣設計，可以大大降低管口的流動損失，增加發(fā)動機的進氣量，在高轉速時表現(xiàn)更為突出。

圖4 左管流動軌跡分布圖（570°CA）

為了更加清晰地表征出氣管入口喇叭的設計，提取了流速矢量橫截面圖，如圖5 所示。可以看出：為了增加出氣管的進氣量，設計了喇叭口，但是通過CFD 計算發(fā)現(xiàn)：右管和左管喇叭口的間隔非常小，使得腔室內的氣體需要通過二者的狹縫才能進入出氣管內，這樣就大大削弱了喇叭口設計的初衷。同時，喇叭口和空濾器殼體壁面的間隔也是非常小，最終導致從干凈腔內流入出氣管內的氣體集中在進氣喇叭口1/2 半圓內進入，如圖6 所示，大部分氣體從靠近濾芯一側且周邊沒有其它部件遮擋進入，而靠近壁面和右管的流速明顯降低，這樣雖然設計了喇叭口，但是由于喇叭口與周圍部件的間隙考慮不周全，就大大降低了出氣管的進氣流通能力。

圖5 左管截面流速分布圖（570°CA）

圖6 右管流動軌跡分布圖（650°CA）

因此，在設計出氣管喇叭口時，需要充分考慮進氣喇叭口周圍部件和喇叭口最大邊緣的間隔以及同濾芯的相對位置關系，以保證喇叭口四周方向的氣體均能順利流入出氣管內，從而實現(xiàn)最大的進氣量，避免了流速滯區(qū)的產(chǎn)生。

空濾器出氣管的設計，需要考慮所搭載發(fā)動機的氣缸數(shù)。針對本文研究的摩托車雙缸發(fā)動機，各氣缸有獨立的進氣系統(tǒng)，兩支獨立的進氣系統(tǒng)在空濾器干凈腔內匯合。左缸對應左出氣管，右缸對應右出氣管，其中左缸定義為1 缸，右缸定義為2 缸，點火間隔是180°曲軸轉角。

為了說明左右出氣管壓力脈動在空濾器干凈腔內出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，選取了曲軸轉角650°CA 時刻空濾器內流場分布，如圖6 所示?？梢钥闯觯涸摃r刻右管的流動狀態(tài)是正向進氣過程，而左管流動狀態(tài)是逆流狀態(tài)，即出氣管內的氣體倒流進入干凈腔內，并同腔室內的大部分氣體合并后再次進入右管中。通過該時刻的各管流動狀態(tài)，不難發(fā)現(xiàn)雙出氣管的空濾器會出現(xiàn)搶氣過程，這也會導致兩個氣缸進氣量不同，最終導致兩個氣缸平均有效壓力的不均勻性，甚至影響發(fā)動機的輸出功率。通過CFD 分析，直觀地揭示了干凈腔內進氣干涉現(xiàn)象。為了解決這類問題，還是要追溯到進氣脈動效應的產(chǎn)生和傳播規(guī)律。然而，影響進氣脈動效應的主要因數(shù)是發(fā)動機進氣系統(tǒng)的長度。考慮到節(jié)氣閥體和發(fā)動機進氣管的可調空間很小，因此調節(jié)進氣系統(tǒng)的長度主要就集中在空濾器出氣管上?；谏鲜龇治觯梢詫⒆笥页鰵夤荛L度進行差異化設計，具體增加或減少多少，需要回歸到WAVE 性能計算。因此，通過一維和三維CFD 聯(lián)合分析，相互提供邊界條件，只有同時考慮空濾器自身特性以及在系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，才能設計出滿足要求的空濾器。

此外，同分析左管的方法相同，提取了右管進口處流動矢量圖，如圖7 所示?？梢钥闯觯焊蓛羟粌鹊臍怏w很順暢地進入了右管中。雖然在喇叭口的周圍同樣存在左管，但是距離相對較遠，不但不會影響腔室內的氣體進入出氣管，反而會起到一定的導流作用，最終表現(xiàn)為進入右管內氣體明顯增大，從圖7 b可以看出：喇叭口周圍的氣體從圓周3/4 處以高流速進入右管中。至于喇叭口形狀的設計，同出氣管的直徑密切相關，其宗旨是通過設計標準的喇叭口將干凈腔內的氣體順暢導入出氣管內，從而降低局部阻力損失，增加出氣管的進氣量，尤其是對于高速氣流，效果更加明顯。

圖7 右管截面流速分布圖（650°CA）

本文研究的空濾器左右管喇叭口靠近空濾器殼體壁面的距離太小，適當增大距離，可以更好地利用喇叭口將干凈腔內氣體導入到出氣管內。

因此，在設計空濾器出氣管時，往往需要滿足其長度要求，在空濾器總容積有限的情況下，不得不使出氣管的入口端接近空濾器殼體的壁面。在這種情況下，就需要考慮兩個因素，一是出氣管入口軸線方向上距離壁面的尺寸，這個不能設計太小，一方面影響出氣管進氣，另一方面影響聲學特性。這是因為在進氣脈動效應的作用下，進入出氣管的氣體向干凈腔內倒流，而且以周期性脈沖的形式出現(xiàn)。這時如果距離壁面太近，勢必會產(chǎn)生氣流周期性沖擊壁面的現(xiàn)象，從而導致空濾器殼體產(chǎn)生輻射噪聲。第二還要考慮出氣管進氣口圓周方向上與周圍部件或壁面的間隔，如果某一側間距太小，將會限制從這一側進入出氣管的氣體流量，腔室內的氣體只能繞向出氣管入口的正前方進入出氣管，這樣出氣管進入口的進氣效率就會下降?？傊?，無論從出氣管入口的圓周方向還是軸向上，都應將空濾器出氣管入口布置于相對寬闊的區(qū)域內。

3 結論

1）基于一維和三維的聯(lián)合仿真，既分析了空濾器在整個進排氣網(wǎng)絡系統(tǒng)中所起的作用，又分析了空濾器本身的特性。因此，在設計空濾器時，必須考慮空濾器所在的工作環(huán)境，而且應優(yōu)先考慮其系統(tǒng)特性；然后基于這一系統(tǒng)特性的要求，再進行空濾器總成的詳細設計。

2）通過三維CFD 分析發(fā)現(xiàn)：在設計空濾器出氣管時，必須考慮出氣管入口布置在一個相對開放區(qū)域，避免布置在流速停滯區(qū)，而且喇叭口的設計是必要的。在滿足空濾器出氣管長度要求和出氣管入口設計及其周邊間隙上需要折中考慮。

3）基于聯(lián)合仿真，進氣脈動效應在三維CFD 詳細分析中直觀地顯示了左右缸對應的出氣管搶氣現(xiàn)象。因此，針對雙缸發(fā)動機，空濾器出氣管的設計，需要考慮各氣缸的進氣差異性。

4）通過聯(lián)合一維系統(tǒng)分析和詳細局部結構三維分析，為空濾器基于目標的正向自主設計提供了技術支撐。