某款滿足歐6排放的柴油機(jī)渦輪增壓器壓氣端進(jìn)氣流道CFD分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

王 帝 劉俊超 李春玲 楊于奇 金天柱

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

0 前言

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一項(xiàng)通過計(jì)算直接求解的流動(dòng)主控方程，以此發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象規(guī)律的技術(shù)，它綜合了流體力學(xué)、傳熱學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、科學(xué)可視化等多種專業(yè)學(xué)科。CFD計(jì)算分析可以在試驗(yàn)很難涉及的深度和精度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，為產(chǎn)品開發(fā)和故障分析等工作提供流速、流量、壓力、溫度分布等必需的參考數(shù)據(jù)或邊界條件，用于指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。CFD已經(jīng)成為精確分析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻潤滑系統(tǒng)、進(jìn)氣排氣系統(tǒng)以及燃燒換熱過程等的有效手段，可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少試驗(yàn)次數(shù)，降低時(shí)間和成本［1］。

1 CFD分析方法論

本文對(duì)某款滿足歐6排放的柴油機(jī)渦輪增壓器壓端進(jìn)氣流道進(jìn)行了CFD仿真和分析，同時(shí)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過CFD方法來預(yù)測(cè)壓端進(jìn)氣道的流通性能。其中，控制方程、質(zhì)量方程和動(dòng)量方程滿足守恒定律［2］。

CFD分析中有很多湍流模型，其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型最為廣泛應(yīng)用于各種管路和流道的計(jì)算［3－5］。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型以較為簡(jiǎn)單的模型來計(jì)算復(fù)雜的流動(dòng)，包括兩個(gè)方程。湍流動(dòng)能方程公式

動(dòng)能及浮力的推導(dǎo)方程

湍流耗散率的計(jì)算方程

以上的方程由CFD商業(yè)軟件StarCCM＋求解。Sk和Sε是由用戶定義源項(xiàng)，σk和σε是湍流Prandtl數(shù)。C1ε、C2ε以及 C3ε為常數(shù)。這些常數(shù)的具體數(shù)值如下：C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝1.3，σk＝1.0，σε＝1.3［6－7］。

2 壓氣端進(jìn)氣流道設(shè)計(jì)選型

換氣過程是內(nèi)燃機(jī)排出循環(huán)中的已燃?xì)怏w和下一個(gè)循環(huán)吸入新鮮充量空氣的進(jìn)排氣過程。內(nèi)燃機(jī)的充量系數(shù)反映了進(jìn)氣過程的完善程度，是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)。提供充量系數(shù)最重要的措施就是降低進(jìn)氣系統(tǒng)的阻力損失。因此壓氣端進(jìn)氣流道不但會(huì)影響增壓器點(diǎn)火控制曲線（MAP）進(jìn)而影響增壓器的性能，還會(huì)影響充量系數(shù)進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

基于本柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)，以及匹配的渦輪增壓器，壓端進(jìn)氣流道優(yōu)化設(shè)計(jì)分兩個(gè)系列。選項(xiàng)1系列為不改變低壓級(jí)壓殼，只改變高壓級(jí)壓殼及流道，選項(xiàng)2系列為同時(shí)改變高低壓級(jí)壓殼及流道，對(duì)以上兩個(gè)系列進(jìn)行CFD分析，選取最優(yōu)的壓端進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)壓氣端進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)

3 壓端進(jìn)氣流道CFD分析結(jié)果

通過CFD分析，得出結(jié)果見表1。

表1 總壓壓降結(jié)果

圖2 選項(xiàng)1系列部分壓端進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)

圖3 選項(xiàng)2系列部分壓端進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)

由結(jié)論可以得出選項(xiàng)1系列中，選項(xiàng)1.2為最優(yōu)設(shè)計(jì)，選項(xiàng)2系列中，選項(xiàng)2.2為最優(yōu)設(shè)計(jì)。從總壓結(jié)果可以看出，選項(xiàng)1.2的性能為3個(gè)設(shè)計(jì)中最佳設(shè)計(jì)。

3種設(shè)計(jì)中的速度均勻性結(jié)果，如表2所示。

表2 速度場(chǎng)分布結(jié)果

從速度均勻性結(jié)果可以看出選項(xiàng)1.2的性能為3個(gè)設(shè)計(jì)中最佳設(shè)計(jì)。綜上結(jié)果，選項(xiàng)1.2為最優(yōu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

通過CFD分析對(duì)比傳統(tǒng)以及選項(xiàng)1、選項(xiàng)2系列壓端進(jìn)氣流道壓力降及進(jìn)氣均勻性，選項(xiàng)1.2的壓力降最小，整體降低79.2%，選項(xiàng)1.2的速度均勻性最高，整體提升3.1%。故選項(xiàng)1.2的CFD性能最優(yōu)。從設(shè)計(jì)角度，不改變低壓級(jí)壓殼，改變高壓級(jí)壓殼及流道可以提高增壓器壓端的CFD性能，以提升增壓器性能及發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)。

圖4 壓氣端進(jìn)氣流道壓力分布結(jié)果

圖5 壓氣端進(jìn)氣流道速度流線結(jié)果