空濾前管CFD仿真分析及結構優化

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仿真分析及結構優化

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軟件，在設計初期對微型車空濾前進氣管路管路設計方案的CFD評價、選型和結構優化的方法，并結合實例實現了計算機輔助空濾前管設計，取得了滿意的結果。

關鍵詞：計算流體力學；進氣管；流動阻力；AVL FIRE

中置后驅發動機的空濾前管較長、流阻較大，它的設計直接影響發動機的進氣效率。本文通過對某型中置后驅商用車的空濾前管進行流場特性CFD仿真分析，得到空濾前管內部的流場分布和壓力場分布。根據這些特性分析了該種設計的優劣，并針對某些不合理的地方進行優化設計，以改善空濾前管的流場特性，降低流動損失，縮短設計周期。

1　空濾前管的網格模型

空濾前管的3D數模來自UG模型，為了節省空間，采用大梁進氣方案，即空濾前管大部分由車架中空大梁充當。由于大梁設計時利用復雜的中空結構作為空濾前管諧振腔，故在此處對車身結構件及空濾前管進行相應簡化處理[1]，以方便三維網格搭建。網格化分采用AVL FIRE的FAME完成，FAME是一款由AVL開發的前處理網格自動生成工具，能夠生成絕大多數為六面體的混合非結構化網格如圖1所示，網格數量在40萬左右。

圖1　空濾前管的網格模型

2　數值計算模型

介質為空氣，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模型。其次空氣在空濾前管中的流動以湍流為主，故采用湍流模型描述前管內的空氣流動狀況。寫成笛卡爾坐標系下張量形式的控制方程如下：

連續性方程：

動量方程：

上面兩個方程稱為雷諾平均的Navier-Stokes （RANS）方程。它們和瞬時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間平均量。

標準k-ε模型的湍動能k的輸運方程：

耗散率ε的輸運方程：

對以上控制方程采用有限體積法進行求解計算。壓力項和速度項之間的耦合計算采用SIMPLE算法[2]。因為壁面對湍流有明顯影響，在很靠近壁面的地方，粘性阻尼減少了切向速度脈動，壁面也阻止了法向的速度脈動。離開壁面稍微遠點的地方，由于平均速度梯度的增加，湍動能產生迅速變大，因而湍流增強。因此近壁的處理明顯影響數值模擬的結果，因為壁面是渦量和湍流的主要來源。不求解層流底層和混合區，采用半經驗公式（壁面函數）來求解層流底層與完全湍流之間的區域。

計算介質為空氣，環境大氣壓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.

進口為壓力進口，出口為流量出口，流量值來自GT-SUITE計算，擬定匹配本公司某型發動機。

3　原型設計的仿真分析

工質為可壓縮理想氣體，環境大氣壓P=101.325 kPa，環溫T=311.15 K，模擬WOT工況下進氣系統空濾前管內部氣體的流動情況。計算求解器選用計算流體力學商用軟件AVL FIRE，計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和壓力場分布情況，在此截取了3個有代表性的截面下圖為進口管，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，在進氣管與大梁、大梁與出氣管的交界處均產生了流動分離的現象，致使渦流的產生和此處的湍流強度增加，在大梁中部為了避讓橫梁結構而形成的壺口處和出氣管彎角處產生了最大流速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流動面積收縮，雖已進行圓滑過渡處理但仍出現了流動分離；在大梁和出口管的交界處產生了流動分離，影響了充氣效率。

4　結構優化及相應的CFD仿真分析

從流體力學角度來說，流動損失在很大程度上是由流動分離致使渦流的產生和當地的湍流強度增加產生引起的，因此我們在結構優化上主要先解決幾個渦流產生點和流動分離點的設計問題。對大梁內部結構進行流線型設計，使結構對氣流起到疏導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構，在進出氣管口圓滑過渡或加裝導流板，最大限度地降低因渦流產生的能量損失。為此提出兩點優化方建議：（1）將橫梁位置下調增大截面積；（2）在進出氣管口設置圓弧過度并加裝導流板。對相應位置進行改進，仿真結果如下表1所示。

表1　優化前后流阻對比

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化前更均勻，未出現由于局部流速過高產生的湍流湍流現象。

圖8　優化模型流線圖

根據建議（1），將橫梁位置下調增大截面積后進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分離，如圖9所示為改進后的空濾前管CFD仿真流場結果，中部虎口處流動均勻性提高的同時整體流速有所增大，有利于發動機進氣效率的提高和減少高速嗆氣所可能引發的爆震現象。

圖9　優化模型中部壓力云圖

根據建議（2）通過加裝進、出氣管口圓弧過度導流板減弱了進氣管與大梁、大梁與出氣管交界處的湍動強度，有效地引導進氣氣流順利進出大梁結構，抑制了空濾進氣管與大梁接口處的局部渦流的產生，減少了流動能量的損失，如圖10所示，弧形導板有效減少了大梁內的氣體流動阻力，使氣流進、出空濾前管大梁段更為順暢。

圖10　優化模型速度云圖

5　結束語

通過空濾前管氣動性能仿真分析和優化工作得到以下結果：

（1）在引擎額定功率工況下的壓降較原型設計下降了約10%，減少了流動損失；

（2）提高進氣流速，增大空濾前管的進氣效率；

（3）能滿足發動機性能要求，減少因嗆氣引發的爆震現象。

借助商用軟件完成的CFD進氣管分析的方法，能夠在設計初期階段展示壓力分布和氣體流動情況，減少反復制作樣件試驗的成本，提高了設計效率，提高產品性能。

參考文獻：

[1]錢耀義，李云清.進氣系統的簡化數學模型與參數的優化程序[J].內燃機學報，1988，（3）:258-264.

[2]王福軍.計算流體動力學分析[M].北京：清華大學出版社，1994.

中圖分類號:U463

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0077-03

收稿日期：2016-01-07

作者簡介：韋曉晶（1986-），男，廣西人，工學學士，助理工程師，研究方向為流體力學。

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