汽車空氣進氣管道模型的通風性能優化研究

張立

摘 要：汽車空氣進氣管道的結構對空氣進氣量影響很大，文章以某品牌汽車的空氣進氣管道模型為研究對象，采用有限體積法離散濾波后的N-S方程和標準κ-ε湍流模型的方法進行定常數值模擬，模擬結果表明整流罩和擋板的引入改善了進氣管道內部的流動狀況，有助于空氣通風性能的提升。研究結果將對汽車進氣管道的結構優化設計提供依據。

關鍵詞：進氣;管道;性能;優化

中圖分類號：U462.1 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2019）23-107-03

Research on Ventilation Performance Optimization of Automotive Air

Intake Pipe Model

Zhang Li

（Department of Application & Engineering， Zhejiang Economic & Trade Polytechnical， Zhejiang Hangzhou 310018）

Abstract： The structure of the air intake duct of the automotive has a great influence on the amount of air ventilation， this paper takes the air intake duct model of a brand automobile as the research object， and uses the finite volume method to filter the NS equation and the standard κ-ε turbulence model. The simulation results show that the introduction of the fairing and baffle improves the flow inside the intake pipe and contributes to the improvement of air ventilation performance. The results will provide a basis for the structural optimization design of the automotive intake pipe.

Keywords： Intake; Pipeline; Performance; Optimization

CLC NO.： U462.1 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2019）23-107-03

1 前言

汽車進氣管道作為汽車空氣供給系統的有機組成部分，主要承擔了控制空氣通風進氣量的職能。現代汽車一般將空氣流量計、空氣進氣壓力傳感器等電器元件放置在汽車進氣管道內部，以檢測進入管道的空氣流量以及空氣壓力。為了滿足測量要求，就要求汽車進氣管道的空氣內部流動比較平穩，以避免紊流對電器元件測量精度的影響。文獻[1]設計了一種被動式渦流翼片，應用于汽車進氣通道中，在常用的節氣門開度范圍內以較小的流量損失得到了大幅度的渦流比提升。文獻[2]應用三維/一維耦合技術設計合理的進氣消聲器，可為今后消聲器的設計與改進提供參考。文獻[3]主要通過實驗的方法對某國產車型在實際使用過程中出現的進氣噪聲過大問題對其進氣系統進行了改進，在滿足不改動進氣系統外觀和在整車上的布置這一前提下，通過使用新型可滲透性材質編織內插管降低了全轉速段的進氣噪聲。本文以某國產品牌汽車的進氣管道為研究原型，在此基礎上有兩處結構改進：其一是在管道入口附近增加了擋板，以改變氣流的入流方向;其二是在管道內部的模組入口增加了蜂窩過濾網，以穩定氣流方向。在對管道結構進行適當簡化后進行仿真計算，制作網格，如圖1所示。整個管道流場區域分為四個區，分別是入口區、擴散區、模組整流區以及出口區。考慮到模組整流區是我們關注的重點，在網格劃分上，模組整流區網格最密集，最小網格為0.8mm，其他區域的最小網格在1-3mm之間。測試的流量點有4個，分別是0.12、0.6、1.2、2.4m3/h。

圖1 ?管道結構及網格

2仿真結果分析

2.1 整流罩的影響

圖2顯示了輸入流量為6m3/h時管道內部流場在有無整流罩結構的速度云圖。從圖中可以發現，在進氣管道模組整流區域入口增加蜂窩過濾網有利于模組整流區氣流速度的均勻分布。當模組整流區域沒有整流罩時，氣流速度呈現模組整流區中心側速度比兩端速度要大的特點，在安裝整流罩后，氣流在模組整流區分布都比較均勻，有利于電器元件的測量。因此，安裝整流罩對汽車進氣管道內部流場的穩定是有幫助的。

（a）無整流罩 ? ? ? ? ? ?（b）有整流罩

圖2 ?輸入流量為6m3/h時的速度云圖

2.2 擋板的影響分析

圖3顯示了輸入流量為6m3/h時汽車進氣管道在有無擋板情況下的速度流線圖。從圖中可知，在單側輸入氣流的同等條件下，擋板的存在能夠影響氣流的渦流分布，改變氣流的運動方向。在圖3（b）中，輸入氣流還能夠通過擋板與管道之間的間隙流動。考慮在后期改進過程中將這種間隙封鎖，再次改變氣流的流動方向，讓氣流先從擴散區流動，然后再進入整流區。

（a）無擋板 ? ? ? ? ? ? ? ?（b）有擋板

圖3 ?輸入流量為6m3/h時的速度流線圖

2.3 不同流量的管道內部流場分布

圖4顯示了汽車進氣管道在不同流量下的速度云圖分布情況。從圖中可以看出，無論是哪個流量點，在模組整流區的速度分布是比較均勻的，流場分布的一致性也比較好。氣流在模組整流區分布的主要差異體現在整流罩附近，比如當流量為2.4m3/h時，氣流在整流罩中心的速度要少于兩端。還有一點就是當流量為0.12 m3/h時，風機電控模塊所處管道的整個流場仿真不收斂，這表明在該流量點時汽車進氣管道內部流場是不具有穩態的，具有多變性。

（a）0.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（b）0.6

（c）1.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?（d）2.4

圖4 ?不同流量下的速度云圖分布（m3/h）

圖5顯示了汽車進氣管道在兩種流量下的壓力云圖分布情況。從圖中可知，無論是哪個流量點，氣流在模組整流區的壓力最低，這有利于氣流通過擠壓的方式從汽車進氣管道的擴散區運動到整流區。只是由于一部分氣流直接從入口通過擋板縫隙貫入整流區，這將影響到模組整流區的氣流擠壓效果，會出現各整流片流道之間氣流速度有快有慢，如圖5（b）所示，在模組整流區的兩側出現了很明顯的低壓區，這將導致兩側的氣流流動速度明顯要快于其他區域。

（a）4.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）6

圖5 ?不同流量下的壓力云圖分布（m3/h）

圖6顯示了汽車進氣管道在不同流量下的速度流線圖分布情況。從圖中可知，無論在哪個流量點，模組整流區的氣流主要來自兩部分，其一是直接從進口區通過擋板間隙直接貫入的氣流，主要集中在整流區靠近擋板的一側;其二是通過管道擴散區擠壓過來的氣流，主要集中在整流區遠離擋板的一側。氣流在模組整流區內部沒有發現渦流，僅僅流量點為2.4m3/h時氣流在整流罩附近出現了渦流，但經過整流片以后，氣流迅速穩定了下來。

（a）0.12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? （b）0.6

（c）1.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? （d）2.4

圖6 ?不同流量下的速度流線圖分布（m3/h）

3 結論

通過對比分析汽車進氣管道的內部結構變化引起的通風性能差異，得到如：

（1）氣流在汽車進氣管道模組整流區的流場穩定性是得到保障的，在整流區的氣流沒有發現渦流，氣流分布比較均勻。

（2）小流量的不收斂代表著小流量時氣流無法在整個流場建立穩定的流場，其流場形態變化無常，影響測量的線性度。大流量情況下氣流流場穩定，流場形態也比較一致。

（3）整流罩以及擋板的存在有利于模組整流區的流場穩態的形成。

參考文獻

[1] 李良波.一種汽車進氣系統的被動式渦流翼片研究[D].重慶大學碩士學位論文，2012.

[2] 李金庫.基于三維/一維偶合技術的汽車進氣諧振器研究[D].東北林業大學博士學位論文，2102.

[3] 錢欣怡.進氣系統聲學性能的實驗研究及其優化[D].浙江大學碩士學位論文，2012.