基于CFD的重型車進氣扁管仿真分析及結構優化

劉艷芬，段增旭，李帥，焦延，付召輝

（陜西重型汽車股份有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著重型商用卡車在快遞運輸、?；愤\輸、日用工業品運輸等行業的廣泛使用，國內外各大重卡企業的競爭日趨激烈。為了贏得市場，必須滿足客戶的特殊需求，尤其是車輛燃油經濟性、運輸時效性。其中低油耗是客戶購車關注的重中之重。

進氣系統負責給發動機提供清潔干燥的氣體，進而改善發動機燃燒和排放性能。進氣扁管位于進氣氣流的第一道關卡，其性能的優劣直接關系到整個進氣系統性能的好壞。進氣扁管的粗濾結構在一定程度上雖然能延長客戶的更換濾芯周期，卻會使阻力大大增大，使油耗上升。由此可見，很有必要研究旋流管對進氣阻力的影響效果[1]。

進氣扁管通常固定在駕駛室后圍，不僅要適應駕駛室整體造型還要有足夠的壓筋增加強度。加工工藝多以吹塑為主。由于進氣扁管結構復雜，外形極其不規則，通過理論計算的方法描述進氣扁管性能非常困難，且精度低。所以對進氣扁管性能的研究多以試驗研究為主[2]。隨著計算機技術的發展，數值模擬也得到廣泛的應用。計算流體力學 CFD（Computa-tional Fluid Dynamics）得到了越來越廣泛的應用。通過CFD這種虛擬設計手段對進氣扁管進行研究，可以獲取大量的氣體流動的數據，利用計算數據對設計方法進行評價，可以大大減少開發周期和費用。

本文對是否帶直通旋流管式預濾器結構的進氣扁管進行研究對比，分析旋流管對進氣阻力的影響，為進氣系統匹配選用提供參考；接下來建立兩種防水結構進氣扁管構型，將扁管內部流場可視化，得到數據為設計優化提供參考。

1 CFD分析前準備

基于Star CCM+流體力學計算方法，對幾何模型、分析模型創建、網格劃分和邊界條件分別介紹如下。

1.1 幾何模型

對分析對象結構的簡要說明。

圖1 帶直通旋流管式預濾器進氣扁管

如圖1所示，帶直通旋流管的進氣扁管由進口防水格柵、直通式旋流管、旋流管支撐板、扁管本體及排塵袋組成。

圖2 帶防水結構的進氣扁管

如圖2所示，帶防水結構的進氣扁管主要由進口格柵、防水導向筋、扁管本體及排塵袋組成。

1.2 分析模型

流體分析模型是通過提取流體流經區域得到的實體模型。在CATIA三維設計軟件中利用幾何體的拓撲計算減掉中間筋板等特征，并簡化不必要的圓角和尖角。為網格劃分做好準備。

1.3 網格劃分

處理好的模型導入Hypermesh中劃分三角形面網格，在Star CCM+中生成六面體網格。網格數量適中，不僅保證計算精度也提高計算效率。

1.4 邊界條件

設置物理學模型，為仿真計算做以下假設：

1）進氣系統工作時，氣體來源于外界大氣，顆粒和氣體的混合物看作是一種均勻介質，它們之間沒有相對滑移；即進氣扁管所有壁面均為無滑移速度邊界條件

2）流動過程中密度不變，是不可壓縮流體；即介質為靜態的不可壓縮理想氣體，層流狀態，K-Epsilon 湍流模型。

3）工作過程中溫度不變，是等溫過程。

模擬計算的邊界條件為：

1）空氣密度為1.225kg/m3，動力粘度系數為1.7894×10-5N·s/m2，進氣溫度為300K，環境大氣壓力101325Pa。

2）進氣扁管進口類型為mass flow inlet 質量流量，流量值：0.733kg/s（額定流量2200m3/h）

3）進氣扁管出口類型選擇為pressure outlet壓力出口。

4）設定迭代最大步驟10000（收斂為止）。

2 有/無旋流管進氣扁管模擬計算結果

2.1 帶旋流管進氣扁管分析結果

殘留值呈現收斂狀態，可結束迭代運行過程，得到計算結果。對帶旋流管進氣扁管總成進行CFD分析，進氣扁管內部為負壓區，進出口壓降1.6kPa。

圖3 帶旋流管進氣扁管計算結果

可以看出，壓力損失主要集中在旋流管處。流速較均勻，在進口下截面水平面處有最小截面積，流速稍大。

2.2 不帶旋流管進氣扁管總成分析結果

對不帶旋流管進氣扁管總成進行CFD分析，進氣扁管內部為負壓區，進出口壓降87Pa。壓力分布較為均勻，無突變區域。

圖4 不帶旋流管進氣扁管計算結果

可以看出，去掉旋流管后壓降大大降低，阻力分布均勻，幾乎沒有阻力下降。

3 帶防水結構進氣扁管模擬計算結果

3.1 防水結構1進氣扁管總成分析結果

對結構1防水結構進氣扁管總成進行CFD分析，進氣扁管內部為負壓區，進出口壓降1.37kPa。壓力分布很不均勻，在進氣口下邊界截面處有壓力突變。

圖5 防水結構1進氣扁管計算結果

可以看出，較帶旋流管的進氣扁管壓降較小，但此結構存在明顯影響壓降的結構特征，防水筋板Y向尺寸大，造成氣流有效通過最小截面積變小，引起幾何突變，阻力增加很明顯，且流速也隨之突增。結構明顯不合理，需要進一步改進。

3.2 防水結構2進氣扁管總成分析結果

對防水結構2進氣扁管總成進行CFD分析，進氣扁管內部為負壓區，進出口壓降498Pa。壓力分布較為均勻。

圖6 防水結構2進氣扁管計算結果

結構2較結構1防水導向筋結構更改，見圖2。防水導向筋由上向下依次變窄，從而增大氣流流經的最小截面積。從云圖可以看出結構2較結構1壓降有明顯的下降，氣流較結構1更加均勻。

從壓降角度來講，結構2遠遠優于結構1，接下來對結構2的防水性能進行分析，是否滿足雨水分離效率≥65%的要求（試驗可參考SAE J2554）。

4 雨水分離效率計算

結構2相對于去旋流結構增加防水導向筋，接下來對結構2防水結構進氣扁管總成防水效果進行分析計算。

4.1 邊界條件設置

雨滴和氣流方向如圖7所示：

圖7 雨滴和氣流方向示意圖

其中：V1——雨滴下落速度

V2——氣流方向

表1 雨滴速度

表2 雨滴分布譜

4.2 仿真計算結果

雨水分離效率的計算公式：

經計算：雨水總分離效率為 90.6%。針對不同粒徑和不同雨強情況下的雨水分離效率見下表：

表3 不同粒徑的雨水分離率

表4 不同雨強情況下的雨水分離效率

由此可見：雨滴粒徑越小，分離效率越低；不同雨強下的分離效率為：大雨＞中雨＞小雨。所以在小雨的情況下，水分離效率最低。

計算得到不同粒徑雨滴運動軌跡的云圖如下：

圖8 不同粒徑雨滴計算結果

由圖8云圖可以看出：結構2整體流場比較順暢，沒有出現嚴重渦流區域。

5 結論

通過計算分析，可以得到四種結構進氣扁管的壓降，見下表。

表5 四種進氣扁管壓降計算結果

其中帶旋流管預濾結構的進氣扁管壓降最大，較去掉旋流管預濾結構阻力增加1.513kPa，可以近似認為壓降全部來源于旋流管預濾結構。據試驗數據表明，進氣阻力每增加1kPa，油耗約增加 1%。根據精準個性化設計原則，對運行工況較好，油耗要求低的車輛建議選用不帶旋流管粗濾功能的進氣扁管。

防水結構的進氣扁管：結構 2壓降較結構 1壓降下降0.872kPa，降低175%，并且壓力分布較為均勻，不存在突變區域。結構2結構較合理；

對防水結構2進氣扁管做進一步的雨水分離效率計算，得到總分離效率為90.6%，大于設計要求的65%，滿足要求。雨滴粒徑越小，雨越小分離效率越低。因此車輛在小雨環境中長久運行會進入較多的雨水，建議司機加強檢查空濾器濾芯情況。

由此可見，進氣扁管帶旋流管預濾結構對于以清潔瀝青路面為主，對油耗要求高的物流重卡而言并不一定是最優方案。而在設計前期對結構進行有限元分析可及時發現不合理結構并進行改善，最終得到滿意的結果：既保證防水性能也降低阻力。從而大大縮短設計周期。

[1] 楊志剛,張文博,何文軍等.重型卡車進氣扁管仿真及性能分析[J].機械研究與應用. 2015(3):24-29.

[2] 李虎強,褚超美,凌建群.基于CFD的柴油機進氣性能仿真研究[J].內燃機工程,2011.32（5）：88-92.