基于CFD的重型卡車高位進(jìn)氣管性能分析及優(yōu)化

侯峨明，姚 瑤，梁奉典

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

引言

重型卡車的進(jìn)排氣系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵附件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率及其他性能有著極大的影響。進(jìn)氣系統(tǒng)主要由高位進(jìn)氣管、空氣濾清器總成及聯(lián)接管路和支架組成。考慮到重型卡車的運(yùn)行工況較為惡劣，為了延長(zhǎng)空氣濾清器濾芯的使用壽命，一般情況下高位進(jìn)氣管均設(shè)計(jì)有預(yù)過(guò)濾功能，即高位進(jìn)氣管作為一級(jí)過(guò)濾，空氣濾清器為二級(jí)過(guò)濾，將潔凈的空氣經(jīng)進(jìn)氣管路輸送給發(fā)動(dòng)機(jī)。為降低濾芯更換次數(shù)，降低整車使用成本，高位進(jìn)氣管的除塵設(shè)計(jì)至關(guān)重要[1]。現(xiàn)代物流對(duì)時(shí)效性要求極其嚴(yán)格，要求作為運(yùn)載工具的重型卡車在雨天仍需要高速行駛，高位進(jìn)氣管必須具有一定的防水性能。

如果高位進(jìn)氣管沒(méi)有足夠的防水功能，車輛高速行駛時(shí)，雨水會(huì)順著進(jìn)氣管路進(jìn)入空濾器，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將濾芯的濾紙浸濕，濾芯失效最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不良或損壞[2]。

重型卡車的高位進(jìn)氣管常固定于駕駛室后圍，需同時(shí)兼顧流體性能及駕駛室整體造型的美觀性，形狀復(fù)雜不規(guī)則，一般難以通過(guò)常規(guī)的流體力學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析技術(shù)開始廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)，計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics）是一種用計(jì)算機(jī)模擬來(lái)代替實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)流場(chǎng)中各相流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析研究的方法。它以仿真計(jì)算及圖像顯示的方式，對(duì)高位進(jìn)氣管設(shè)計(jì)、改進(jìn)過(guò)程提供指導(dǎo)，能夠在很大程度上減小工作量，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約人力物力[3]。本文利用CFD軟件對(duì)一種重型卡車高位進(jìn)氣管的三種內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析與對(duì)比，提高高位進(jìn)氣管的預(yù)濾效率與水分離效率。

1 高位進(jìn)氣管流體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算

1.1 結(jié)構(gòu)描述

應(yīng)用CATIA軟件建立高位進(jìn)氣管的三維模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示。高位進(jìn)氣管由高位進(jìn)氣管本體、進(jìn)氣防水格柵、直通式旋流管模塊及旋流板上、下隔板組成。

圖1 高位進(jìn)氣管總成結(jié)構(gòu)示意圖

三種直通式旋流管結(jié)構(gòu)如圖2所示。直通管結(jié)構(gòu)不變，分別對(duì)葉輪的長(zhǎng)度、葉片的角度以及旋流管的口徑進(jìn)行調(diào)整。相較于結(jié)構(gòu)1（基礎(chǔ)型），結(jié)構(gòu)2的葉輪結(jié)構(gòu)不同。

圖2 三種不同結(jié)構(gòu)直通式旋流管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 模型處理及網(wǎng)格劃分

CATIA軟件建立的幾何模型可以準(zhǔn)確的表示高位進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)，但某些細(xì)節(jié)或結(jié)構(gòu)對(duì)分析影響不大時(shí)，可以對(duì)該細(xì)節(jié)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。在保證研究對(duì)象結(jié)構(gòu)完整的情況下，將不必要的短邊進(jìn)行簡(jiǎn)化。同時(shí)，為了后續(xù)網(wǎng)格的劃分，可以將相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)劃分成不同的集合區(qū)域進(jìn)行不同精度的網(wǎng)格劃分。

提取流體流經(jīng)區(qū)域得到流體分析模型，簡(jiǎn)化不必要的圓角和尖角。將處理好的模型導(dǎo)入Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格。

1.3 邊界條件設(shè)定

為了便于分析，假設(shè)工作過(guò)程為等溫過(guò)程，介質(zhì)為靜態(tài)不可壓縮的理想氣體，即空氣密度為常數(shù)，采用K-?湍流模型。高位進(jìn)氣管進(jìn)口質(zhì)量流量為0.6 kg/s，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P=101325 Pa，空氣密度取1.205 kg/m3。

1.4 高位進(jìn)氣管CFD模擬計(jì)算分析

對(duì)三種高位進(jìn)氣管總成進(jìn)行CFD分析，結(jié)果如圖3所示，高位進(jìn)氣管內(nèi)部為負(fù)壓區(qū)。

圖3 三種結(jié)構(gòu)高位進(jìn)氣管總成壓力云圖

匹配結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2旋流管總成的高位進(jìn)氣管總壓降數(shù)值接近，壓力分布較為均勻，旋流管葉片的角度和長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)氣阻力影響較小。匹配結(jié)構(gòu)3旋流管時(shí)，由于錐形管的入口口徑減小，導(dǎo)致氣體流通面積明顯降低，進(jìn)氣阻力明顯增大，高位進(jìn)氣管總成的進(jìn)氣阻力上升148%。旋流管部分是壓降的主要來(lái)源。

2 不同旋流管灰塵過(guò)濾效率分析

2.1 邊界條件設(shè)定

為與臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，參考QC/T 32《汽車用空氣濾清器試驗(yàn)方法》[4]，灰塵過(guò)濾效率模擬分析單位時(shí)間加灰濃度按1g/m3，灰塵粒子尺寸分布按表1。

表1 270目石英砂粒子尺寸分布圖

同時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，進(jìn)行以下假設(shè)：

（1）計(jì)算灰塵粒子為密度恒定的球形顆粒，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)破損、變形和劇集等現(xiàn)象；

（2）灰塵粒子與空氣間無(wú)能量交換；

（3）灰塵粒子進(jìn)口速度與流體速度相同，且在入口處均勻分布；

（4）灰塵粒子在流體中占據(jù)的質(zhì)量百分比相對(duì)較少，視為離散相；

（5）溫度恒定。

由于高位進(jìn)氣管整體模型計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求較高，為避免長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)算對(duì)項(xiàng)目開發(fā)周期的影響。僅對(duì)三種旋流管的灰塵分離效率進(jìn)行分析。考慮重力因素的影響，建立圖4模型，如下所示。

圖4 旋流管灰塵過(guò)濾效率分析示意圖

2.2 不同旋流管灰塵分離效率結(jié)果

通過(guò)旋流管的灰塵粒徑分布如圖5所示。被分離的灰塵顆粒以大粒徑為主，通過(guò)旋流管的灰塵多為小粒徑顆粒，如下圓圈所示。

圖5 旋流管灰塵粒徑尺寸分布圖

結(jié)構(gòu)2的灰塵過(guò)濾效率較結(jié)構(gòu)1提升了36.1%，說(shuō)明通過(guò)調(diào)節(jié)葉片角度和葉輪長(zhǎng)度可以顯著改善除塵效果。結(jié)構(gòu)3的灰塵過(guò)濾效率較結(jié)構(gòu)1提升了61.5%，通過(guò)減小錐形管口徑可以有效阻止灰塵通過(guò)，提高灰塵過(guò)濾效率。

3 不同旋流管雨水分離效率分析

3.1 邊界條件設(shè)定

水分離效率模擬分析單位時(shí)間進(jìn)水量按30 L/h，水滴粒徑分布按表2：

表2 水滴粒徑分布表

3.2 不同旋流管雨水分析效率結(jié)果

通過(guò)旋流管的雨水粒徑尺寸圖6所示，通過(guò)旋流管的多為小粒徑水滴，大直徑水滴受重力影響，大部分在旋流管葉片段被分離，如下圖圓圈內(nèi)所示。

圖6 旋流管雨水粒徑尺寸分布圖

結(jié)構(gòu)2的雨水過(guò)濾效率較結(jié)構(gòu)1提升了3.3%，說(shuō)明調(diào)節(jié)葉片角度和葉輪長(zhǎng)度，對(duì)旋流管的雨水分離效率影響不大。結(jié)構(gòu)3的雨水分離效率較結(jié)構(gòu)1提升了27.8%，通過(guò)減小錐形管口徑明顯增加雨水分離效率。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)模擬計(jì)算分析可以得到三種結(jié)構(gòu)高位進(jìn)氣管的壓降，旋流管葉片的角度和長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)氣阻力影響較小，但旋流管的口徑對(duì)壓降影響較大。

（2）灰塵分離效率方面，因?yàn)樾鞴苋~片角度和長(zhǎng)度不同，結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3比結(jié)構(gòu)1改善明顯，結(jié)構(gòu)3效果更好。

（3）雨水分離效率對(duì)旋流管葉片角度和長(zhǎng)度不敏感，縮小旋流管的出氣端進(jìn)氣口徑可顯著提升雨水分離效率。

（4）根據(jù)以上三項(xiàng)性能參數(shù)分析結(jié)果，平衡油耗和濾芯的保養(yǎng)周期，可將方案2應(yīng)用于方案設(shè)計(jì)及樣件制作進(jìn)行驗(yàn)證。