基于CFD仿真分析的某項(xiàng)目進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化

李光武，邢冠華

（華晨汽車工程研究院動(dòng)力總成綜合技術(shù)處，遼寧 沈陽 110141）

前言

在進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)前，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)提出壓力損失的目標(biāo)要求，壓力損失是影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能（功率，扭矩，壽命）及整車性能（油耗，排放等）的重要指標(biāo)[1]，壓力損失在前期無法用樣件進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證的前提下，我們可以通過CFD仿真分析去計(jì)算進(jìn)氣系統(tǒng)壓力損失的性能。

在模具開發(fā)前，我們需要通過不斷的優(yōu)化和CFD仿真分析滿足發(fā)動(dòng)機(jī)提出的壓力損失要求，這樣不僅能縮短開發(fā)周期，也可以降低模具開發(fā)后的風(fēng)險(xiǎn)及成本。本文以某項(xiàng)目的進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)為例，在模具開發(fā)前，使用CFD進(jìn)行了多輪優(yōu)化，最后得以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)壓力損失要求，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了探討。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有限元數(shù)據(jù)建立

1.1 建立幾何模型及劃分網(wǎng)格

根據(jù)不同方案的三維模型，結(jié)合實(shí)際的進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立了如圖1所示的三維模型。進(jìn)氣系統(tǒng)總體分為臟空氣側(cè)，空氣濾清器，干凈空氣側(cè)。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型

根據(jù)三維模型，建立了網(wǎng)格模型[2][3]，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

1.2 確定邊界條件及計(jì)算工況

發(fā)動(dòng)機(jī)提出的進(jìn)氣系統(tǒng)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(jié)果分析

2.1 第一輪仿真分析及結(jié)果分析

根據(jù)以上模型及設(shè)定的邊界條件和計(jì)算工況，對(duì)原始進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)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(jié)果。

圖3 臟空氣側(cè)

圖4 空氣濾清器

圖5 干凈空氣側(cè)

圖6 壓力損失仿真結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知：

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

（2）臟空氣側(cè)的管路尺寸足夠大，不需要在增加額外的結(jié)構(gòu)去降低壓力損失。

（3）空濾內(nèi)部流場(chǎng)及濾清氣流分布較好。

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

（5）加熱元件的位置對(duì)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(jù)第一輪仿真分析結(jié)果，臟空氣側(cè)及空濾氣流分布及壓力損失較好，加熱元件對(duì)干凈側(cè)壓力損失影響較大，下一步工作主要針對(duì)于加熱器的位置變更進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 第一輪加熱器表面靜態(tài)壓力仿真分析

加熱器的表面的靜態(tài)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(tài)壓力仿真分析結(jié)果

根據(jù)仿真分析結(jié)果（圖7）：

當(dāng)前加熱器位置是可滿足表面靜態(tài)壓力要求的。

2.3 優(yōu)化加熱器位置的仿真分析及結(jié)果分析

圖8～圖11為優(yōu)化加熱器位置的方案及分析結(jié)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(cè)

圖11 方案四：將加熱器脫離管路內(nèi)壁

仿真分析結(jié)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(nèi)壁，導(dǎo)致流動(dòng)分離。

方案二：4.92KPa（方案二）＜5.77KPa（原始方案），但不滿足目標(biāo)；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(dǎo)致流動(dòng)分離減少。

方案三：仿真分析在進(jìn)行一半的時(shí)候停止，因?yàn)榻Y(jié)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(biāo)；原因：將加熱器脫離管路內(nèi)壁后，氣流在此處無遮擋，消除了流動(dòng)分離。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，方案四的效果最好，但仍未滿足目標(biāo)要求，為了滿足目標(biāo)要求，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，我們優(yōu)化了臟空氣側(cè)。

2.4 第二輪仿真分析及結(jié)果分析

圖12 增加喇叭口

根據(jù)上一輪仿真分析結(jié)果，我們已經(jīng)盡最大的努力去優(yōu)化了加熱元件的位置，但仍未滿足壓力損失目標(biāo)要求，所以我們決定在臟空氣側(cè)增加了喇叭口去降低壓力損失，同時(shí)，增壓器進(jìn)口外徑增加了2mm。

圖12～圖13為此次優(yōu)化的方案：

圖13 增壓器進(jìn)口外徑增加2mm

圖14～圖15此次仿真分析干凈空氣側(cè)管路的氣流分布及壓力損失結(jié)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(jié)果

根據(jù)方案分析結(jié)果：

（1） 由于加熱器的位置不侵入管路內(nèi)壁，管路內(nèi)的流動(dòng)分離已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于原始狀態(tài)；

（2）因?yàn)樵鰤浩鬟M(jìn)口的直徑增加 2mm，所以干凈空氣側(cè)管路的出口直徑也增加了2mm，導(dǎo)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(jié)果：4.18KPa（最終狀態(tài)）＜4.5KPa（目標(biāo)）＜5.77KPa（原始方案），最終方案滿足目標(biāo)要求；

2.5 第二輪加熱器表面靜態(tài)壓力仿真分析

因加熱器位置及連接結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，需要繼續(xù)對(duì)加熱器表面靜態(tài)壓力進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見圖16：

圖16 第二輪加熱器表面靜態(tài)壓力仿真分析結(jié)果

根據(jù)方案分析結(jié)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(jié)論

根據(jù)仿真分析結(jié)果可知，我們可以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)提出的壓力損失目標(biāo)，其中此項(xiàng)目的進(jìn)氣系統(tǒng)開發(fā)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(nèi)壁光滑，防止加熱器侵入管路內(nèi)壁并保證加熱器與管路連接處無凹陷，從而消除流動(dòng)分離，降低壓力損失。

（3）增加增壓器進(jìn)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(tài)壓力的要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊迪;發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管理系統(tǒng)試驗(yàn)及仿真研究[D];浙江大學(xué);2011年.

[2] 蔣炎坤.CFD輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工程的理論與應(yīng)用[M].北京:北京科學(xué)出版社,2004.

[3] 沈俊等.CFD在汽車空氣動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù),2000（10）.