基于STAR-CCM+的汽車排氣系統分析及優化

王春海

保定長安客車制造有限公司 河北省定州市 073000

1 引言

汽車排氣系統總成是汽車的關鍵零部件，其空氣動力性的好壞直接影響到排放、噪聲，并且對車輛的動力性、油耗也有比較大的影響[1]。通過數值模擬，從理論上分析排氣系統的各種性能，能夠很縮短開發周期，提高開發效率，降低試驗費用。

本文以某柴油機為例，借助CFD分析流體軟件STAR-CCM+對排氣系統進行穩態流場分析，并根據流場的壓強、速度矢量圖分析了其結構對排氣有效性的影響，最后簡單地提出了優化方法。

2 理論基礎

排氣系統的CFD分析基于質量、動能、能量守恒的3個基本傳遞方程。對于處于湍流模式下的不可壓縮性流體采用標準k-ε兩方程模型。標準k-ε模型是個半經驗公式，主要是基于湍流動能k和擴散率ε。k方程是個精確方程，ε方程是個由經驗公式導出的方程[2]。

湍流動能k輸運方程：

湍流耗散率ε輸運方程：

式中：Gk—由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；Gb—由于浮力引起的湍動能k的產生項；YM—可壓湍流中脈動擴張的貢獻；C1z，C2z、C3z—經驗常數；σk、σz—與湍流能k和耗散率對應的Prandtl數；Sk、Sz—用戶定義的源項。

均勻性系數UI用來直觀反映氣流分布的均勻性，其定義如下：

式中：A表示截面面積；Ai表示截面上單元面積；ui表示截面上單元的局部速度；u＿表示截面平均速度。

3 流場模擬與優化

3.1 網格劃分

該排氣系統由催化轉化器（下文以DOC代稱）總成、顆粒捕集器（下文以DPF簡稱）總成、前消聲器總成、后消聲管總成等部分組成。提取出排氣系統的流體計算區域，并對模型進行如下簡化：將前排氣管總成、后消聲管總成的多孔管段的小孔做封閉處理。在hypermesh里生成面網格，再利用STAR-CCM+進行體網格劃分，采用切割體網格模型，基本尺寸為4mm，網格總數為370萬。網格模型如圖1所示。

3.2 邊界條件

流體介質為空氣，采用穩態CFD分析，模擬工況為全速全負荷，質量流量進口；出口為壓力出口；DOC載體和DPF載體設為多孔介質區域，設定相應的粘性阻力系數和慣性阻力系數；其余邊界設置為壁面邊界條件，湍流模型采用Realizable K-epsilon模型。

圖1 網格模型

圖2 壓力分布

圖3 前消聲器截面速度矢量分布

圖4 DPF截面速度矢量圖

圖5 優化方案示意圖

圖6 優化方案DPF截面速度矢量圖

3.3 原始模型計算結果及分析

經結算得出，排氣系統的背壓為50.3KPa，壓力分布及前消聲器速度矢量分布，如圖2、圖3所示。從圖3中可以看出，當氣流在流動截面突然變化時（從管流向腔或從腔流入管），速度急劇減小或增大，渦流現象嚴重，從而增大壓損。

經計算得出，DOC載體前端的均勻性系數為0.850，DPF載體前端的均勻性系數為0.881。

DPF截面速度矢量分布如圖4所示。從圖中看出，由于DPF入口前的彎管的導向作用，在氣流進入DPF端蓋后，有向下運動的趨勢，造成DPF載體前端的氣流分布不均。

3.4 優化模型計算結果及分析

鑒于以上對DPF速度場的分析，發現DPF由于入口前彎管的影響和入口處于端蓋中心的布局，使得DPF載體的氣流均勻性不佳，有優化空間。因此提出將DPF入口中心布置改為偏置布置，改動區域如圖5所示：

經計算得出，優化方案的排氣系統背壓為48.8KPa，較原始方案減少了1.5KPa。優化方案的DPF載體前端均勻性系數UI為0.891，較原始方案提高了0.01，氣流均勻性有所改善。

圖6為優化方案DPF截面速度矢量圖。從圖中看出，在DPF端蓋內的氣流比原始方案更靠近載體中心。

4 結語

通過對排氣系統進行CFD分析，得到以下結論：

（1）對排氣系統進行CFD分析，較好地模擬了排氣系統的流場情況，有利于評估和改進其工作性能；（2）通過將DPF進口端蓋由中心對稱改為偏置布置，能夠改進載體的氣流均勻性，也能夠減小整個排氣系統的背壓，改善排氣系統的排氣能力。