空濾前管CFD仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

韋曉晶，李春鳳，彭　婧，王　偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

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空濾前管CFD仿真分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

韋曉晶，李春鳳，彭婧，王偉

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

摘要：討論了使用通用流體力學(xué)軟件，在設(shè)計(jì)初期對(duì)微型車空濾前進(jìn)氣管路管路設(shè)計(jì)方案的CFD評(píng)價(jià)、選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，并結(jié)合實(shí)例實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助空濾前管設(shè)計(jì)，取得了滿意的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：計(jì)算流體力學(xué)；進(jìn)氣管；流動(dòng)阻力；AVL FIRE

中置后驅(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)的空濾前管較長(zhǎng)、流阻較大，它的設(shè)計(jì)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣效率。本文通過對(duì)某型中置后驅(qū)商用車的空濾前管進(jìn)行流場(chǎng)特性CFD仿真分析，得到空濾前管內(nèi)部的流場(chǎng)分布和壓力場(chǎng)分布。根據(jù)這些特性分析了該種設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，并針對(duì)某些不合理的地方進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善空濾前管的流場(chǎng)特性，降低流動(dòng)損失，縮短設(shè)計(jì)周期。

1　空濾前管的網(wǎng)格模型

空濾前管的3D數(shù)模來自UG模型，為了節(jié)省空間，采用大梁進(jìn)氣方案，即空濾前管大部分由車架中空大梁充當(dāng)。由于大梁設(shè)計(jì)時(shí)利用復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)作為空濾前管諧振腔，故在此處對(duì)車身結(jié)構(gòu)件及空濾前管進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化處理[1]，以方便三維網(wǎng)格搭建。網(wǎng)格化分采用AVL FIRE的FAME完成，F(xiàn)AME是一款由AVL開發(fā)的前處理網(wǎng)格自動(dòng)生成工具，能夠生成絕大多數(shù)為六面體的混合非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格如圖1所示，網(wǎng)格數(shù)量在40萬左右。

圖1　空濾前管的網(wǎng)格模型

2　數(shù)值計(jì)算模型

介質(zhì)為空氣，單一相，因此采用單相流模型。由于空率前管處在常溫中，溫度變化很小，因此不考慮氣流的熱力學(xué)模型。其次空氣在空濾前管中的流動(dòng)以湍流為主，故采用湍流模型描述前管內(nèi)的空氣流動(dòng)狀況。寫成笛卡爾坐標(biāo)系下張量形式的控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

上面兩個(gè)方程稱為雷諾平均的Navier-Stokes （RANS）方程。它們和瞬時(shí)Navier-Stokes方程有相同的形式，只是速度或其它求解變量變成了時(shí)間平均量。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍動(dòng)能k的輸運(yùn)方程：

耗散率ε的輸運(yùn)方程：

對(duì)以上控制方程采用有限體積法進(jìn)行求解計(jì)算。壓力項(xiàng)和速度項(xiàng)之間的耦合計(jì)算采用SIMPLE算法[2]。因?yàn)楸诿鎸?duì)湍流有明顯影響，在很靠近壁面的地方，粘性阻尼減少了切向速度脈動(dòng)，壁面也阻止了法向的速度脈動(dòng)。離開壁面稍微遠(yuǎn)點(diǎn)的地方，由于平均速度梯度的增加，湍動(dòng)能產(chǎn)生迅速變大，因而湍流增強(qiáng)。因此近壁的處理明顯影響數(shù)值模擬的結(jié)果，因?yàn)楸诿媸菧u量和湍流的主要來源。不求解層流底層和混合區(qū)，采用半經(jīng)驗(yàn)公式（壁面函數(shù)）來求解層流底層與完全湍流之間的區(qū)域。

計(jì)算介質(zhì)為空氣，環(huán)境大氣壓P=101.325 kPa，溫度 T=300 K，空氣密度 ρ=1.225 kg/m3，空氣粘度μ=1.7894×10-5Ns/m2.

進(jìn)口為壓力進(jìn)口，出口為流量出口，流量值來自GT-SUITE計(jì)算，擬定匹配本公司某型發(fā)動(dòng)機(jī)。

3　原型設(shè)計(jì)的仿真分析

工質(zhì)為可壓縮理想氣體，環(huán)境大氣壓P=101.325 kPa，環(huán)溫T=311.15 K，模擬WOT工況下進(jìn)氣系統(tǒng)空濾前管內(nèi)部氣體的流動(dòng)情況。計(jì)算求解器選用計(jì)算流體力學(xué)商用軟件AVL FIRE，計(jì)算收斂后完成后處理，原始模型壓力分布如圖2所示，流速分布云圖如圖3所示，類似文丘里管段出現(xiàn)氣流加速。

圖2　原始模型壓力云圖

圖3　原始模型速度云圖

為了能夠更清楚的看到空濾前管管路中的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布情況，在此截取了3個(gè)有代表性的截面下圖為進(jìn)口管，大梁、出口管的切面圖，如圖4至圖6所示。

圖4　中部壓力云圖

圖5　中部速度云圖

圖6　出口管段壓力云圖

從流線圖（圖7）可以看出，在進(jìn)氣管與大梁、大梁與出氣管的交界處均產(chǎn)生了流動(dòng)分離的現(xiàn)象，致使渦流的產(chǎn)生和此處的湍流強(qiáng)度增加，在大梁中部為了避讓橫梁結(jié)構(gòu)而形成的壺口處和出氣管彎角處產(chǎn)生了最大流速50 m/s.

圖7　原始模型速度流線圖

由于大梁中部焊接橫梁，大梁氣室須避讓，因而在大梁中部形成了一個(gè)流動(dòng)面積收縮，雖已進(jìn)行圓滑過渡處理但仍出現(xiàn)了流動(dòng)分離；在大梁和出口管的交界處產(chǎn)生了流動(dòng)分離，影響了充氣效率。

4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化及相應(yīng)的CFD仿真分析

從流體力學(xué)角度來說，流動(dòng)損失在很大程度上是由流動(dòng)分離致使渦流的產(chǎn)生和當(dāng)?shù)氐耐牧鲝?qiáng)度增加產(chǎn)生引起的，因此我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)優(yōu)化上主要先解決幾個(gè)渦流產(chǎn)生點(diǎn)和流動(dòng)分離點(diǎn)的設(shè)計(jì)問題。對(duì)大梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行流線型設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)對(duì)氣流起到疏導(dǎo)作用而不是阻礙作用，放緩變截面處的壓力降，去除一些不必要的阻礙結(jié)構(gòu)，在進(jìn)出氣管口圓滑過渡或加裝導(dǎo)流板，最大限度地降低因渦流產(chǎn)生的能量損失。為此提出兩點(diǎn)優(yōu)化方建議：（1）將橫梁位置下調(diào)增大截面積；（2）在進(jìn)出氣管口設(shè)置圓弧過度并加裝導(dǎo)流板。對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行改進(jìn)，仿真結(jié)果如下表1所示。

表1　優(yōu)化前后流阻對(duì)比

改后的全局速度流線如圖8所示，從流線中更改后氣流流速較優(yōu)化前更均勻，未出現(xiàn)由于局部流速過高產(chǎn)生的湍流湍流現(xiàn)象。

圖8　優(yōu)化模型流線圖

根據(jù)建議（1），將橫梁位置下調(diào)增大截面積后進(jìn)氣管中的氣流分部更加均勻，消除了大梁中部壺口造成的流動(dòng)分離，如圖9所示為改進(jìn)后的空濾前管CFD仿真流場(chǎng)結(jié)果，中部虎口處流動(dòng)均勻性提高的同時(shí)整體流速有所增大，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣效率的提高和減少高速嗆氣所可能引發(fā)的爆震現(xiàn)象。

圖9　優(yōu)化模型中部壓力云圖

根據(jù)建議（2）通過加裝進(jìn)、出氣管口圓弧過度導(dǎo)流板減弱了進(jìn)氣管與大梁、大梁與出氣管交界處的湍動(dòng)強(qiáng)度，有效地引導(dǎo)進(jìn)氣氣流順利進(jìn)出大梁結(jié)構(gòu)，抑制了空濾進(jìn)氣管與大梁接口處的局部渦流的產(chǎn)生，減少了流動(dòng)能量的損失，如圖10所示，弧形導(dǎo)板有效減少了大梁內(nèi)的氣體流動(dòng)阻力，使氣流進(jìn)、出空濾前管大梁段更為順暢。

圖10　優(yōu)化模型速度云圖

5　結(jié)束語

通過空濾前管氣動(dòng)性能仿真分析和優(yōu)化工作得到以下結(jié)果：

（1）在引擎額定功率工況下的壓降較原型設(shè)計(jì)下降了約10%，減少了流動(dòng)損失；

（2）提高進(jìn)氣流速，增大空濾前管的進(jìn)氣效率；

（3）能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求，減少因嗆氣引發(fā)的爆震現(xiàn)象。

借助商用軟件完成的CFD進(jìn)氣管分析的方法，能夠在設(shè)計(jì)初期階段展示壓力分布和氣體流動(dòng)情況，減少反復(fù)制作樣件試驗(yàn)的成本，提高了設(shè)計(jì)效率，提高產(chǎn)品性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢耀義，李云清.進(jìn)氣系統(tǒng)的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型與參數(shù)的優(yōu)化程序[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1988，（3）:258-264.

[2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，1994.

中圖分類號(hào):U463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0077-03

收稿日期：2016-01-07

作者簡(jiǎn)介：韋曉晶（1986-），男，廣西人，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)榱黧w力學(xué)。

The CFD Analysis and Optimization on Intake Duct of Air Filter

WEI Xiao-jing，LI Chun-feng，WANG Wei，PENG Jing
（SAIC GM Wuling Automobile Limited by Share Ltd，Liuzhou Guangxi 545007，China）

Abstract：Based on the CFD analysis of Intake duct，evaluated design scheme of air filter ducts and optimize the flow resistance，which provided convincible results comparing to test data.Therefore this simulation technique is a well suited tool to providing data support.

Key words：computational fluid dynamics；intake duct；flow resistance；AVL FIRE