基于Fluent進氣系統(tǒng)流場數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳先旺

Chen Xianwang

（重慶交通大學機電與汽車工程學院，重慶 400074）

0 引 言

進氣系統(tǒng)的作用是給發(fā)動機提供盡可能均勻、潔凈的空氣。進氣系統(tǒng)的阻力過大或流動不均勻會對發(fā)動機進氣質(zhì)量產(chǎn)生嚴重影響，進而影響發(fā)動機各項性能充分發(fā)揮。同時進氣阻力過大易造成系統(tǒng)內(nèi)部真空度加大，當密封條件不能滿足時，未經(jīng)過濾的空氣會從各接口被吸入氣缸，造成氣缸磨損，縮短氣缸壽命[1]。

很多汽車廠在設(shè)計發(fā)動機進氣系統(tǒng)時，往往根據(jù)經(jīng)驗公式確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所設(shè)計的進氣系統(tǒng)不能很好地滿足發(fā)動機要求。文中以某企業(yè)4A91S發(fā)動機為研究對象，建立進氣系統(tǒng)模型，在 Fluent中對該進氣系統(tǒng)進行三維流體分析，以進氣系統(tǒng)流場速度分布和壓力云圖為基礎(chǔ)，對比改進前后進氣系統(tǒng)進氣阻力與流動均勻性，對進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提出改進措施。

1 進氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

利用三維軟件Catia建立進氣系統(tǒng)三維模型，如圖1所示。該進氣系統(tǒng)由進氣管、空氣濾清器、出氣管等組成。進出氣管各有一段波紋管，主要是便于進氣系統(tǒng)在發(fā)動機艙內(nèi)安裝和減小結(jié)構(gòu)振動引起的噪聲輻射。

采用前處理軟件 ICEM 建立進氣系統(tǒng)流道三維網(wǎng)格，計算區(qū)域網(wǎng)格模型如圖 2所示。為使Fluent處理更方便、易收斂，網(wǎng)格劃分主要采用六面體，在不適宜采用六面體網(wǎng)格的部位（如波紋管、結(jié)構(gòu)倒角等部位），ICEM會自動生成非結(jié)構(gòu)化四面體和錐形網(wǎng)格。劃分的總網(wǎng)格數(shù)為171429。

2 建立分析模型

在建立分析模型之前，確定以下假設(shè)條件：

1）氣體流動過程中溫度不變，為等溫過程。

2）假設(shè)空氣在流動過程中密度不變，為不可壓縮流體。

3）不考慮氣體中存在的微塵顆粒，將兩相流簡化為具有平均流體特性的單相流。

4）將空氣濾清器濾芯作為多孔介質(zhì)處理，流體的物性與多孔介質(zhì)的分布情況是各向同性，且多孔介質(zhì)骨架固定不動且不變形。

2.1 湍流方程

發(fā)動機提供的最大空氣流量為300 m3/h。根據(jù)公式

式中，空氣密度ρ=1.225，kg/m3；空氣粘度μ=1.7894×10-5，N·s/m2；進氣管直徑d=70，mm；根據(jù)最大空氣流量計算出進氣流速v =21.65，m/s；得出雷諾數(shù)為

可知流動為湍流流動。

Fluent常用的湍流模型包括 Spalart-Allmaras模型、標準RNG和Realizable k-ε模型、雷諾壓力模型、大型艾迪仿真模型等，文中采用Realizable k-ε模型[6]。

2.2 邊界條件

操作條件：環(huán)境壓力為1.01×105，Pa；環(huán)境溫度為T=300，K；空氣密度ρ=1.225，kg/m3；空氣粘度μ=1.7894×10-5，N·s/m2。

入口條件：根據(jù)發(fā)動機參數(shù)確定空氣流量為300 m3/h，得出入口空氣速度為21.65 m/s。

出口條件：出氣管出口設(shè)為outflow出口。

壁面條件：設(shè)為無滑移壁面條件。

多孔介質(zhì)區(qū)：在處理空氣濾清器濾芯時，采用 Fluent中多孔介質(zhì)模型。該模型適用范圍非常廣泛，包括填充床、過濾紙、多孔板等，其本質(zhì)就是在定義為多孔介質(zhì)的區(qū)域，結(jié)合一個根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)為主的流動阻力，在動量方程上疊加一個動量源項。

式（2）表明，多孔介質(zhì)的壓力損失分為 2個部分，第1部分是粘性項，與氣體密度ρ、粘度μ有關(guān)，與速度v成正比；第2部分為慣性項，與速度v的2次方成正比。粘性項是氣流通過多孔介質(zhì)時的滲透損失，慣性項是氣流通過多孔介質(zhì)時的慣性損失，m1為滲透性系數(shù)，m2為慣性阻力系數(shù)。根據(jù)空濾器廠家提供的數(shù)據(jù)，繪出一個速度與壓降的二次曲線Δp＝33.7 v2+1.28 v。對應(yīng)式（2）中系數(shù)，得到本模型的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)，并按廠家給定值設(shè)定多孔介質(zhì)的開孔率。

3 結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)建立的幾何模型和數(shù)學模型，在 Fluent中進行三維數(shù)值模擬，得出該進氣系統(tǒng)的速度矢量圖（如圖3）及壓力云圖（如圖4）。

從圖 3可知，當進氣管截面逐漸變小，空氣流速開始逐漸變大，進入空氣濾清器后速度下降，這是由截面積大比例擴張導(dǎo)致。隨著空氣通過中間濾芯，進入出氣管，速度達到最大值。空氣在進出管的波紋管處會產(chǎn)生局部漩渦，在空濾內(nèi)部產(chǎn)生大尺度渦流。在進氣系統(tǒng)入口處產(chǎn)生較大的壓力，這是由于空氣流動方向遇到管壁發(fā)生改變而產(chǎn)生。空濾出口處及出氣管大拐角處出現(xiàn)局部較大負壓，會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，造成局部的沖擊，形成振動和噪聲。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對初始進氣系統(tǒng)進行流場分析，為改善其流動的均勻性，降低其進氣阻力，對該進氣系統(tǒng)作局部結(jié)構(gòu)改進。改進后的進氣系統(tǒng)如圖 5所示。空濾進氣口軸線與該面成一夾角，使氣體流向濾芯時更加均勻。同理，使出氣管軸線與濾芯平面也成一定夾角，而不是平行，以降低氣體的流動阻力。

采用Fluent軟件對改進后的進氣系統(tǒng)進行流場分析，通過對進氣口、出氣口截面進行壓力面積分析，可以得出整個進氣系統(tǒng)的進氣壓力降。優(yōu)化改進前后系統(tǒng)的壓力降如表1所示。

表1 優(yōu)化前后壓力降比較

從表 1可知，改進后的進氣系統(tǒng)壓差比原系統(tǒng)減小2229.4 Pa，進氣阻力下降20.62%。

4 結(jié) 論

1）建立合理的 CFD分析模型，能夠較為準確地模擬出空氣在該進氣系統(tǒng)中的流動特性，三維流動能直觀地反映氣體在管道、空腔內(nèi)的流動，是一種有效可行的分析方法。

2）用多孔介質(zhì)模型計算空氣通過濾清器濾芯過程，較為符合實際情形。

3）對流場流動均勻性和流動阻力進行分析，并優(yōu)化相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，克服傳統(tǒng)設(shè)計中的盲目性與局限性，對汽車發(fā)動機進氣系統(tǒng)的設(shè)計及優(yōu)化具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義。

[1]王治林，成凱，林源.基于 CFD 的車輛進氣系統(tǒng)流場仿真與分析[J].工程設(shè)計學報，2011（8）：265-269.

[2]蔣炎坤.CFD輔助發(fā)動機工程的理論與應(yīng)用[M].北京：科學出版社，2004.

[3]張也影.流體力學[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]朱廉潔，季振林.汽車空氣濾清器聲學性能數(shù)值計算及分析[J].噪聲與振動控制，2007（2）：55-58.

[5]Fluent7 User’s Guide[R].Fluent Inc，2014.

[6]李佳，劉震濤，劉忠民，等.空氣濾清器流動過程仿真與試驗分析[J].浙江大學學報（工學），2012，46（2）：327-332.

[7]Luecku T，F(xiàn)issan H.The Prediction of Filtration Performance of High Efficiency Gas Filter Elements [J].Chemical Engineering Science，1996，51（8）：1199-1208.

[8]Huurdeman B，Banzhaf H.CFD Simulation of Flows in Air Cleaners with Transient Dust Loading of Filter Element[C].SAE 2006 World Congress，2006：429-438.