某SUV車型進氣系統改進設計

吳超群劉凌豪華偉杰趙偉靜梅望林

（1.武漢理工大學，武漢 430070；2.一汽海馬汽車有限公司，?？?570216）

某SUV車型進氣系統改進設計

吳超群1劉凌豪1華偉杰1趙偉靜1梅望林2

（1.武漢理工大學，武漢 430070；2.一汽海馬汽車有限公司，?？?570216）

針對某SUV車型進氣背壓過大的問題，采用Fluent軟件對其進氣系統進行建模，通過試驗對該模型校準后進行流體力學仿真。同時，將計算流體力學模型的邊界條件應用在Virtual.Lab中對進氣系統的聲學性能進行了預測，以系統背壓和消聲性能為目標對進氣系統的結構進行了改進設計。對改進后的結構進行制樣和評價，結果表明，進氣背壓和進氣效率顯著改善，進氣系統的聲學性能有所提高。

1 前言

汽車進氣背壓過大會嚴重影響發動機的燃燒效率和輸出功率，甚至影響整車的動力性能和使用壽命[1]。進氣系統設計中還要控制進氣噪聲，一般通過調整空氣濾清器的結構降低脈動噪聲，通過設計高頻管等結構降低流體噪聲。本文以某SUV車型為例，針對其進氣系統原始方案，在Fluent中對其數模進行三維有限元流體仿真分析，在保證消聲效果的前提下，降低進氣背壓，使其不超過5 kPa，并提出改進方案。進氣系統的設計主要使用一維模型（如GT-Power）和三維有限元模型（如Fluent）。相比之下，一維方法無法準確體現結構的細節特征[2]，而三維仿真計算結果更加準確，可以體現出進氣系統中各個部件的形狀對進氣流場及壓力的影響[3]。為獲得更準確的計算結果，本文采用三維有限元計算方法改進進氣系統結構。

2 模型的建立與校準

2.1 建立模型

進氣系統建模的一般步驟為：根據進氣系統的幾何模型建立相應的流體力學模型；設定模型的邊界條件；建立各參數之間的理論方程組。

原車進氣系統的幾何模型如圖1所示，應用Solid?Works工程軟件，根據該模型生成進氣系統內部的空氣流體模型如圖2所示。

應用HyperMesh工程軟件對空氣流體模型劃分的有限元網格如圖3所示?？諝饽Ｐ蛶缀涡螤顝碗s，為了降低劃分難度，在保證計算精度的前提下，本文選用四面體三維網格，劃分約287萬個單元。最后將該網格模型輸出為計算流體力學模型。

圖1 幾何模型

圖2 空氣流體模型

圖3 原車進氣系統計算流體力學模型

汽車進氣系統直接吸入外部環境空氣，因此設定模型中流體介質為常溫狀態的空氣，其基本參數如表1所示，試驗測得原車發動機進氣相關參數如表2所示。

表1 空氣參數

表2 發動機進氣流量

根據表1、表2中的數據，5 000 r/min轉速下進氣流量為383.09 kg/h，測量進氣系統幾何模型得到進氣系統通流最大截面積為0.049 m2，計算可得進氣系統流質在該處雷諾數Re=1.004×104?2 000，說明該處流體的流動狀態為紊流，空氣流體在通過進氣系統時會出現湍流，所以本文設定進氣系統流體計算模型為定常湍流模型。同時，為簡化計算，假定空氣溫度在進氣系統中無顯著變化，且為不可壓縮流體。處理高雷諾數流體時，RNGk-ε湍流計算模型與標準k-ε湍流計算模型相比，可更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的計算流體模型。因此，對于汽車進氣系統這類因空間限制較多而使流體通道曲折的計算，采用RNGk-ε湍流計算模型[4]。

本文在進氣系統工作狀態下忽略來自發動機的振動對壁面位移的影響，設定壁面為靜態無滑移類型邊界條件。汽車進氣系統主動吸入外界空氣，因此將進口設定為自然流入邊界，出口設定為速度出口邊界，設定出流速度的方向為沿出口方向，速度大小根據表2中測定的流量進行換算。這里選用湍流強度（Turbulence Intensity）與水力直徑（Hydraulic Diameter）設定進、出口處邊界湍流計算模型。

將濾芯等效為多孔結構，在Fluent中直接使用該種結構所對應的模型，即多孔階躍（Porous Jump）模型。根據濾芯供應商提供的數據確定該模型的面滲透率（Face Permeability）、厚度（Thickness）和壓力跳躍系數（Pressure-Jump Coefficient），選用Simple二階迎風算法進行迭代計算。

流體計算模型迭代計算時滿足連續性方程和動量守恒定理[5]：

式中，ρ為密度；t為時間；u為速度矢量。

式中，u、v、w為速度矢量u在x、y、z方向的對應分量；ρ為空氣密度；μ為空氣的動力粘度；grad()=?()/?x+?()/?y+?()/?z為u在各方向分量的梯度函數；Su、Sv、Sw為動量守恒方程的廣義源項。

2.2 模型校準

原車裝配1.2 L渦輪增壓四缸發動機，由表2可知，6 000 r/min工況下其進氣系統進氣流量為410.24 kg/h。根據幾何模型尺寸測得出口橫截面積為1 500 mm2，結合表1中的空氣參數計算可得空氣在出口處的流速為64 m/s。

將計算流體力學模型導入Fluent軟件，按前述邊界條件進行流體仿真分析，獲得進氣系統流場壓力分布云圖，如圖4所示。測出仿真計算結果中進氣口截面與出氣口截面處的全壓（Total Pressure），其差值即為進氣系統的總背壓。

圖4 原車進氣系統壓力分布

測試原車進氣系統在5 500 r/min工況下的壓力如表3所示。考慮進氣系統吸氣的影響，入口截面處氣體流速達到16 m/s，該處壓力損失約為1 kPa，仿真結果為7.9 kPa，與測試結果8 kPa相比，誤差為1.25%，不足5%，說明本文所建立的計算流體力學模型是可行的。

表3 原車進氣系統試驗背壓

3 方案改進設計

改進設計的目標為在上述工況下的進氣背壓從8 kPa降至4 kPa左右，同時要滿足消聲要求。

由圖4可知，進氣壓力在空氣濾清器濾芯兩側和高頻管中段損失較大。濾芯不宜作過多改動，因此改進措施主要集中在高頻管結構上。原始方案高頻管第2腔與第3腔之間管道頸縮處的壓力損失約占整個進氣系統壓力損失的一半，因此考慮將該頸縮結構改進為直管結構。

結構更改必然影響進氣系統的降噪性能，為保證該性能，將進氣系統原始方案在高頻管處的結構作如下改進（見圖5）：提高左側2個腔的穿孔率，使其變為擴張式吸聲結構，改善中低頻消聲效果；調整后3個腔的穿孔率和腔體容積，改善高頻消聲效果；調整進氣管和出口管的直徑，去除頸縮結構，降低進氣背壓。

圖5 高頻管結構方案改進示意

在Fluent中計算出改進方案的進氣系統壓力分布如圖6所示，與圖4對比可知，進氣壓力在高頻管處的損失大幅降低。進氣系統整體背壓的仿真計算結果為3.75 kPa，改進方案實際測試結果為4.1 kPa，改進方案在背壓方面滿足了設計要求。

圖6 改進方案進氣系統壓力分布

分別將原車和改進方案的計算流體力學模型導入Virtual.Lab中進行聲學傳遞損失（Transmission Loss，TL）仿真計算，獲得原車與改進方案的TL曲線如圖7所示[6]。

圖7 進氣系統改進前、后TL曲線

由圖7可知，高頻管處結構的改進沒有影響進氣系統消聲性能，且改進后消聲計算仿真結果在低頻段（0～500 Hz）及高頻段（1 500 Hz以上）較原始進氣系統方案有所提高。同時，進氣系統改進方案NVH主觀評價得分有所提高，滿足進氣系統的降噪要求。

4 結束語

a.本文在Fluent中所采用的空氣流體仿真計算模型經校準可行，在進氣背壓預測中可以作為通用的近似計算模型應用。

b.應用該模型對改進方案進行仿真計算，仿真結果與實際試驗結果基本一致，解決了進氣背壓過大的問題。從側面表明進氣系統在結構設計時應盡量避免階梯狀縮口，以保證進氣順暢。

c.進氣噪聲是在進氣系統外壁結構與空氣振動耦合作用下產生的，對于高頻管處消聲降噪的具體機理有必要考慮到高頻管本身與內部空氣的耦合振動，仍需進一步的研究。

1 王治林，成凱，林源.基于CFD的車輛進氣系統流場仿真與分析.工程設計學報，2011（8）：265～269.

2 石來華，馮仁華.基于GT-Power模型的發動機進氣系統改進.內燃機車，2010（7）：28～35.

3 葉明輝，黃露，帥石金，等.基于一維、三維及耦合模型的汽油機進氣系統改進.車用發動機，2007（3）：44～49.

4 張傳謙，劉鑫明，孟國慶，等.客車進氣系統阻力的Fluent分析.客車技術與研究，2015（1）：35～37，46.

5 王福軍.計算流體動力學分析.北京：清華大學出版社，2004.

6 張志華，王桂林，劉遲.乘用車進氣系統NVH&CFD開發案例.內燃機與配件，2010（2/3）：4～13.

（責任編輯 斛 畔）

修改稿收到日期為2016年3月19日。

Modified Design of A SUV Air Intake System

Wu Chaoqun1,Liu Linghao1,Hua Weijie1,Zhao Weijing1,Mei Wanglin2
（1.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070;2.FAW Haima Automobile Co.,Ltd.,Haikou 570216）

A SUV’s intake backpressure is too large.To solve this problem,we use software Fluent for air intake system modeling,and calibrate this model through test for fluid mechanics simulation.At the same time,the boundary conditions of computational fluid dynamics model are applied in Virtual.Lab software to forecast the acoustic performance of the air intake system.The design of the air intake system’s structure is improved with system backpressure and noise elimination as target.Sample preparation of the modified structure is made and evaluated,the results show that the air intake backpressure and intake efficiency are improved significantly,and the acoustic performance of the intake system is improved.

Air intake system,Back pressure,High frequency tube,Structure improvement, Acoustic performance

進氣系統 背壓 高頻管 結構改進 聲學性能

U464.234

A

1000-3703（2017）04-0050-03