基于CFD仿真分析的某項目進氣系統優化

李光武，邢冠華

（華晨汽車工程研究院動力總成綜合技術處，遼寧 沈陽 110141）

前言

在進氣系統開發前，發動機會對進氣系統提出壓力損失的目標要求，壓力損失是影響發動機性能（功率，扭矩，壽命）及整車性能（油耗，排放等）的重要指標[1]，壓力損失在前期無法用樣件進行臺架驗證的前提下，我們可以通過CFD仿真分析去計算進氣系統壓力損失的性能。

在模具開發前，我們需要通過不斷的優化和CFD仿真分析滿足發動機提出的壓力損失要求，這樣不僅能縮短開發周期，也可以降低模具開發后的風險及成本。本文以某項目的進氣系統開發為例，在模具開發前，使用CFD進行了多輪優化，最后得以滿足發動機壓力損失要求，并對結果進行了探討。

1 進氣系統結構有限元數據建立

1.1 建立幾何模型及劃分網格

根據不同方案的三維模型，結合實際的進氣系統結構，建立了如圖1所示的三維模型。進氣系統總體分為臟空氣側，空氣濾清器，干凈空氣側。

圖1 進氣系統三維模型

根據三維模型，建立了網格模型[2][3]，如圖2所示。

圖2 網格模型

1.2 確定邊界條件及計算工況

發動機提出的進氣系統要求：

壓力損失≤45mbar@700kg/h,1013mbar,20℃；

原始濾清效率≥98.8%；

全壽命濾清效率≥99.0%。

2 仿真分析過程及結果分析

2.1 第一輪仿真分析及結果分析

根據以上模型及設定的邊界條件和計算工況，對原始進氣系統進行 CFD仿真分析，得到壓力損失及氣流分布的情況，如圖3～圖5，圖6為壓力損失仿真結果。

圖3 臟空氣側

圖4 空氣濾清器

圖5 干凈空氣側

圖6 壓力損失仿真結果

由計算結果可知：

（1）干凈空氣側集成和不集成加熱元件的壓力損失結果分別為：5.77KPa（不滿足目標）和3.88KPa（滿足目標）。

（2）臟空氣側的管路尺寸足夠大，不需要在增加額外的結構去降低壓力損失。

（3）空濾內部流場及濾清氣流分布較好。

（4）干凈空氣側的出口尺寸過小導致壓力損失過大，但干凈空氣管的出口取決于增壓器進口尺寸，無法更改。

（5）加熱元件的位置對壓力損失影響較大，建議取消加熱元件，至少改變加熱元件位置。

根據第一輪仿真分析結果，臟空氣側及空濾氣流分布及壓力損失較好，加熱元件對干凈側壓力損失影響較大，下一步工作主要針對于加熱器的位置變更進行優化。

2.2 第一輪加熱器表面靜態壓力仿真分析

加熱器的表面的靜態壓力要求：

（1）Pstatic≤-3.9mbar@130kg/h。

（2）Pstatic≤-6.5mbar@180kg/h。

（3）Pstatic≤-7.8mbar@200kg/h。

圖7 第一輪加熱器的表面的靜態壓力仿真分析結果

根據仿真分析結果（圖7）：

當前加熱器位置是可滿足表面靜態壓力要求的。

2.3 優化加熱器位置的仿真分析及結果分析

圖8～圖11為優化加熱器位置的方案及分析結果。

圖8 方案一：將加熱器上提4mm

圖9 方案二：將加熱器上提4mm并將與管路的連接處密封

圖10 方案三：將加熱器位置移至彎角處外側

圖11 方案四：將加熱器脫離管路內壁

仿真分析結果及分析：

方案一：5.83KPa（方案一）＞5.77KPa（原始方案）；原因：加熱器侵入管路內壁，導致流動分離。

方案二：4.92KPa（方案二）＜5.77KPa（原始方案），但不滿足目標；原因；將加熱器與管路連接處封閉后，氣流能更好的貼合管壁，導致流動分離減少。

方案三：仿真分析在進行一半的時候停止，因為結果要高于原方案。

方案四：4.67KPa（方案四）＜5.77KPa（原始方案），接近目標；原因：將加熱器脫離管路內壁后，氣流在此處無遮擋，消除了流動分離。

根據仿真分析結果，方案四的效果最好，但仍未滿足目標要求，為了滿足目標要求，根據當前狀態，我們優化了臟空氣側。

2.4 第二輪仿真分析及結果分析

圖12 增加喇叭口

根據上一輪仿真分析結果，我們已經盡最大的努力去優化了加熱元件的位置，但仍未滿足壓力損失目標要求，所以我們決定在臟空氣側增加了喇叭口去降低壓力損失，同時，增壓器進口外徑增加了2mm。

圖12～圖13為此次優化的方案：

圖13 增壓器進口外徑增加2mm

圖14～圖15此次仿真分析干凈空氣側管路的氣流分布及壓力損失結果：

圖14 干凈空氣管路氣流分布

圖15 第二輪壓力損失仿真分析結果

根據方案分析結果：

（1） 由于加熱器的位置不侵入管路內壁，管路內的流動分離已經遠遠好于原始狀態；

（2）因為增壓器進口的直徑增加 2mm，所以干凈空氣側管路的出口直徑也增加了2mm，導致單位面積上的氣體流速降低，壓力損失減少；

（3）壓力損失結果：4.18KPa（最終狀態）＜4.5KPa（目標）＜5.77KPa（原始方案），最終方案滿足目標要求；

2.5 第二輪加熱器表面靜態壓力仿真分析

因加熱器位置及連接結構發生變化，需要繼續對加熱器表面靜態壓力進行仿真分析，結果見圖16：

圖16 第二輪加熱器表面靜態壓力仿真分析結果

根據方案分析結果：

（1）Pstatic≤-6.5mbar@130kg/h。

（2）Pstatic≤-12.5mbar@180kg/h。

（3）Pstatic≤-15.4mbar@200kg/h。

滿足要求，所以我們的方案有效，可以釋放方案。

3 結論

根據仿真分析結果可知，我們可以滿足發動機提出的壓力損失目標，其中此項目的進氣系統開發中，降低壓力損失的措施有：

（1）增加喇叭口，降低壓力損失。

（2）改變加熱器位置，保證管路內壁光滑，防止加熱器侵入管路內壁并保證加熱器與管路連接處無凹陷，從而消除流動分離，降低壓力損失。

（3）增加增壓器進口直徑，單位面積上的流速將降低，壓力損失降低。

加熱器位置雖然改變，但仍可以滿足加熱器在不同流速下表面靜態壓力的要求。

參考文獻

[1] 熊迪;發動機進氣管理系統試驗及仿真研究[D];浙江大學;2011年.

[2] 蔣炎坤.CFD輔助發動機工程的理論與應用[M].北京:北京科學出版社,2004.

[3] 沈俊等.CFD在汽車空氣動力學中的應用[J].汽車技術,2000（10）.