基于可壓縮模型的排氣歧管流場(chǎng)分析

李澤宇

中國(guó)第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司，天津300462)

0 引言

目前，為應(yīng)對(duì)排放和油耗法規(guī)日益嚴(yán)格的要求，汽油機(jī)正向小排量、渦輪化的方向發(fā)展。排氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的重要部件之一，設(shè)計(jì)中應(yīng)關(guān)注其內(nèi)部流場(chǎng)狀態(tài)，重點(diǎn)關(guān)注氧傳感器位置的合理性、催化器載體入口速度均勻性以及整體壓降性能，前兩者影響排放性能，而排氣壓降則與油耗性能密切相關(guān)[1]。

CFD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))，原理是將現(xiàn)實(shí)中連續(xù)的流體域離散化后通過數(shù)值計(jì)算的方法求解流動(dòng)的微分方程。相比試驗(yàn)方法，成本更低，周期更短。采用CFD方法可以在前期高效地指導(dǎo)排氣歧管零部件的流場(chǎng)設(shè)計(jì)，但為了保證其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，需要選擇正確的計(jì)算模型和方法，本文作者討論了流體可壓縮性模型對(duì)于排氣歧管流場(chǎng)的計(jì)算準(zhǔn)確性影響，并對(duì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)的判斷依據(jù)進(jìn)行了探討。

1 計(jì)算模型

計(jì)算模型為圖1所示的某2.0T發(fā)動(dòng)機(jī)的集成式排氣歧管。目前先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)采用集成式排氣歧管的設(shè)計(jì)，可以更有效地利用排氣能量進(jìn)行渦輪增壓并能提高暖機(jī)速度[2]。計(jì)算模型包括各氣缸排氣口、兩個(gè)氧傳感器、TWC(三元催化器)和GPF(顆粒捕捉器)，模型保留了渦輪增壓的流道，但不對(duì)內(nèi)部的渦輪扇葉進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模型通過抽取幾何數(shù)據(jù)氣流流動(dòng)的內(nèi)表面獲得。文中算例采用成熟的商業(yè)CFD軟件STAR-CCM+進(jìn)行流動(dòng)求解，STAR-CCM+同時(shí)還具備強(qiáng)大的前處理和網(wǎng)格生成、檢查功能，對(duì)于質(zhì)量較好不需要進(jìn)行幾何清理的排氣歧管模型，完全可以使用該軟件完成從前處理、計(jì)算求解到后處理的全部工作。

圖1 排氣歧管模型

2 CFD計(jì)算流程

2.1 網(wǎng)格生成

利用STAR-CCM+軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格處理功能，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后即可生成三角形的面網(wǎng)格。檢查面網(wǎng)格符合軟件計(jì)算要求后，采用多面體網(wǎng)格方案對(duì)計(jì)算的流體域進(jìn)行離散，經(jīng)驗(yàn)證網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm可以比較準(zhǔn)確地反映幾何特征，并在此基礎(chǔ)上生成2層共0.8 mm厚的邊界層網(wǎng)格，以提高近壁面流場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性，入口和出口設(shè)置拉伸網(wǎng)格以穩(wěn)定流動(dòng)，提高計(jì)算收斂性。TWC和GPF部分單獨(dú)處理為Trim網(wǎng)格，網(wǎng)格大小同樣為2 mm，與主流區(qū)域保持一致。最終體網(wǎng)格數(shù)量為150萬左右，符合工程計(jì)算能力的同時(shí)，也能保證計(jì)算精度。

2.2 求解模型

根據(jù)排氣歧管內(nèi)部流場(chǎng)的關(guān)注內(nèi)容，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法可以定量地評(píng)價(jià)其性能，湍流模型采用適用范圍較廣的Realizableκ-Epsilon模型，使用二階求解精度進(jìn)行計(jì)算[3]。

在流體力學(xué)中，一般認(rèn)為馬赫數(shù)Ma>0.3時(shí)需要考慮流體的可壓縮性[4]。排氣歧管中排氣溫度較高且存在變化，粗略估計(jì)其Ma一般在0.3左右，分別采用可壓縮模型和不可壓縮模型計(jì)算驗(yàn)證其對(duì)于結(jié)果的影響，采用不可壓縮模型時(shí)使用分離隱式求解器計(jì)算，而采用可壓縮模型時(shí)使用耦合隱式求解器獲得更穩(wěn)定的收斂。

2.3 邊界條件

分別計(jì)算4個(gè)工況，對(duì)應(yīng)1～4缸各排氣口分別打開、其他排氣口關(guān)閉的狀態(tài)。采用質(zhì)量流量定義入口，計(jì)算全功率點(diǎn)的工況，流量定為730 kg/h，排氣溫度1 123 K，不可壓縮模型中氣體密度根據(jù)排氣溫度定為0.315 kg/m3，動(dòng)力黏度4.55×10-5Pa·s；可壓縮模型中排氣密度隨計(jì)算溫度變化，動(dòng)力黏度根據(jù)薩特蘭定律確定。對(duì)于TWC和GPF，采用多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果設(shè)置其慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)。

2.4 收斂準(zhǔn)則

計(jì)算的收斂性判斷通常根據(jù)殘差值確定，一般要求小于10-3，但STAR-CCM+軟件的殘差統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)導(dǎo)致某些殘差值經(jīng)常不能降低到該水平。因此一般認(rèn)為計(jì)算的最后500步中，如果監(jiān)測(cè)的物理量都收斂到了計(jì)算需求的精度，且殘差已經(jīng)穩(wěn)定，則認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。在該案例中，不論是可壓縮計(jì)算方法還是不可壓縮計(jì)算方法，在5 000步時(shí)計(jì)算都已經(jīng)收斂。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)基本參數(shù)對(duì)比

管路內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算一般都會(huì)關(guān)注整體壓降以及管路內(nèi)部的速度分布，可以表示計(jì)算結(jié)果的總體特征，并驗(yàn)證計(jì)算的合理性。

3.1.1 壓降計(jì)算結(jié)果對(duì)比

壓降是排氣歧管設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因?yàn)榕艢馄绻艿膲航祿p失是排氣損失的重要組成部分，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率和油耗性能產(chǎn)生影響。在實(shí)際計(jì)算中壓降通常也作為判斷是否達(dá)到收斂要求的依據(jù)。可壓縮模型與不可壓縮模型的整體壓降對(duì)比如表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果-壓降對(duì)比

從表1可以看出：采用可壓縮方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，整體壓降相對(duì)于不可壓縮方法都顯著下降，但各工況的相對(duì)偏差趨勢(shì)一致。造成這種現(xiàn)象的原因?qū)⒃谙乱恍」?jié)討論。

3.1.2 流場(chǎng)密度對(duì)比

可壓縮計(jì)算模型最重要的特點(diǎn)是采用了理想氣體模型并加入能量方程，使得密度隨計(jì)算進(jìn)行求解，對(duì)于預(yù)測(cè)Ma大于0.3的流動(dòng)更加準(zhǔn)確。以氣缸1排氣工況為例，圖2顯示了流場(chǎng)內(nèi)部截面上的密度變化，可以看出流場(chǎng)出口處密度趨于0.32 kg/m3左右，與不可壓縮模型的計(jì)算設(shè)置較為接近，但在渦輪通道的位置，密度變化的范圍很大。圖3則是可壓縮模型的Ma分布云圖，出口處的Ma已經(jīng)超過0.3，而渦輪通道內(nèi)Ma更高。綜上所述，當(dāng)計(jì)算帶有渦輪通道的集成式排氣歧管時(shí)，采用可壓縮算法是十分必要的。

圖2 可壓縮計(jì)算模型內(nèi)部密度云圖

圖3 可壓縮計(jì)算模型內(nèi)部Ma云圖

3.1.3 流場(chǎng)速度對(duì)比

速度是流場(chǎng)的重要標(biāo)量之一，可以反映模型計(jì)算結(jié)果的特點(diǎn)。仍然以氣缸1排氣工況為例，通過如圖4所示的截面速度對(duì)比可以看出，速度分布最明顯的差異也集中在渦輪通道部分，同時(shí)也會(huì)影響到下游的多孔介質(zhì)區(qū)域，對(duì)出口附近流場(chǎng)影響不大。

圖4 流場(chǎng)內(nèi)部截面速度分布對(duì)比

3.2 排氣歧管設(shè)計(jì)性能指標(biāo)對(duì)比

排氣歧管設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮氧傳感器位置合理性以及催化器載體入口的均勻性，一般采取定量與定性結(jié)合的方法進(jìn)行分析。

3.2.1 氧傳感器位置合理性分析

氧傳感器位置的合理性主要通過其表面最大速度判斷，有學(xué)者采用氧傳感器表面速度大于100 m/s即為合格的標(biāo)準(zhǔn)[5]，文中則采用速度比vratio=vsensor/vsurface作為標(biāo)準(zhǔn)，其中，vsensor為氧傳感器表面最大速度，vsurface為氧傳感器附近截面平均速度。采用這樣的標(biāo)準(zhǔn)是因?yàn)榕帕枯^大時(shí)，速度絕對(duì)值并不能真實(shí)體現(xiàn)氧傳感器位置合理性。圖5和圖6分別是氧傳感器1、2表面與其所在截面的速度云圖。

圖5 氧傳感器1及所在截面速度云圖

圖6 氧傳感器2及所在截面速度云圖

對(duì)比速度云圖可以看出，模型可壓縮性對(duì)計(jì)算的影響主要體現(xiàn)在氧傳感器1部分。這是因?yàn)檠鮽鞲衅?更加靠近渦輪通道，氣流速度快，受影響更大，氧傳感器2位于TWC之后，氣流經(jīng)過后速度變慢，流場(chǎng)也更加均勻。表2和表3分別是氧傳感器1和2的速度比率，可以看出對(duì)于氧傳感器1，可壓縮模型的計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏小，達(dá)標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)大，而對(duì)于氧傳感器2，速度比率結(jié)果反而相對(duì)偏大。如果氧傳感器1采用氧傳感器表面速度大于100 m/s的判定標(biāo)準(zhǔn)，可以輕易達(dá)標(biāo)，但經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)可壓縮模型下氣缸1、3、4的速度比率都不足0.8，說明排氣歧管設(shè)計(jì)尚有優(yōu)化空間，氧傳感器2在兩種計(jì)算模型下都能比較輕易地達(dá)標(biāo)。因此設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮位于流場(chǎng)速度較快、穩(wěn)定性較差區(qū)域的氧傳感器布置位置。

表2 氧傳感器1速度比率

表3 氧傳感器2速度比率

3.2.2 催化器載體入口速度均勻性分析

催化器入口的速度均勻性對(duì)于提升催化器的反應(yīng)效率和耐用性都有很大影響。可定義催化器入口速度分布均勻性系數(shù)UI=1-ΣAi|ui-uaverage|/2ΣAiui， 其中:ui是各單元點(diǎn)速度，uaverage是入口平均速度，Ai是催化器入口速度分布的面積。表4和表5分別是TWC和GPF的入口速度均勻性系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表4 TWC載體入口UI計(jì)算結(jié)果

表5 GPF載體入口UI計(jì)算結(jié)果

圖7和圖8分別是TWC和GPF入口速度云圖，靠近渦輪通道的TWC入口速度分布差異明顯。采用可壓縮模型計(jì)算時(shí)速度均勻性更易達(dá)標(biāo)，這可能主要是因?yàn)榭蓧嚎s模型的整體流速較小，流場(chǎng)更均勻。而位于TWC之后的GPF入口，因經(jīng)過催化器后流速較慢，兩種計(jì)算方法的分布特點(diǎn)類似，計(jì)算結(jié)果也較為相似。

圖7 TWC入口速度云圖

圖8 GPF入口速度云圖

4 結(jié)論

通過對(duì)帶渦輪增壓通道的排氣歧管計(jì)算，討論了可壓縮模型對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)論如下：

(1)具有渦輪結(jié)構(gòu)的集成式排氣歧管局部流速很快，體現(xiàn)較強(qiáng)的可壓縮性，不可壓縮模型對(duì)局部密度估計(jì)過小，造成速度偏大，壓損也相應(yīng)偏大很多，流場(chǎng)分布差異明顯，應(yīng)采用可壓縮模型進(jìn)行計(jì)算；

(2)可壓縮模型會(huì)使氧傳感器評(píng)價(jià)指標(biāo)變差，且對(duì)于大排量的排氣歧管考慮氧傳感器表面最大速度與當(dāng)?shù)厮俣戎龋葐为?dú)考慮氧傳感器表面最大速度更為合理；

(3)可壓縮模型對(duì)于催化器入口速度均勻性的計(jì)算結(jié)果要好于不可壓縮模型，且對(duì)于緊耦合布置的第二級(jí)催化器或顆粒捕捉器，可壓縮模型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小。