基于CFD流場特性分析發動機進排氣系統設計

郭 晟，于國慶

（1.宜賓職業技術學院現代制造工程系，四川 宜賓644000；2.河北科技大學，河北 石家莊050018）

1 引言

進排氣系統既要為發動機提供充足的空氣，同時又要滿足發動機進排氣背壓和排放法規噪聲控制的要求，對整機的正常工作具有重要的影響。傳統試驗分析的方法對系統進行研究，需要耗費大量的人力和物力，而且精度較低［1］。隨著計算流體力學的發展，采用數值模擬的方法對系統進行流場特性分析進而開展設計和優化，簡單方便而且準確性高，可有效壓縮設計成本。因此，對此進行研究具有重要的應用價值。

國內外學者進行了一定的研究：文獻［2］基于CFD發動機進氣口位置和管道布置已達到最優的進排氣流場分布；文獻［3］對進氣歧管和渦輪增壓器進口處溫度進行分析，通過改變溫度分析對發動機的燃燒過程和冷卻能力影響；文獻［4］分析不同層級的空氣濾芯對進氣速度和流場分布的影響；文獻［5］基于發動機進排氣試驗臺對進排氣背壓對發動機功率和溫度的影響。

根據發動機進排氣系統的結構特點，針對進氣系統、排氣系統、消聲器等進行選型設計和結構設計；保證各部分結構滿足發動機的壓力和流量要求；采用理論分析計算、CFD建模仿真分析、試驗臺驗證分析等相結合的方法進行設計分析。對排氣管和消音器進行三維計算流體模擬仿真，得到速度場、壓力場的分布圖，并對設計關心的進出口壓差進行計算；特別對消聲器的穿孔板部分采用了多孔階躍邊界條件進行處理；采用試驗方法對消聲器設計進行驗證。

2 進排氣系統設計分析

2.1 系統結構組成

進排氣系統屬于發動機最重要的附屬結構部分之一［6］，結構如圖1所示。

圖1 發動機附屬結構組成Fig.1 Engine Accessory Structure

如圖1所示，進排氣系統主要結構包括空濾器、進氣管、排氣管和消聲器。進氣系統由于相對簡單，一般情況下只要保證發動機有足夠的進氣流量，以及達到發動機對進氣阻力的要求即可，在實際工程實踐中一般對進氣系統設計的最大難點在于空間的布置［7］。而排氣系統由于牽涉到排氣背壓（可影響發動機效率）及排氣噪聲其設計計算就相對復雜一些，其重點難點是消音器的設計與模擬仿真［8］。

2.2 進氣系統選型設計

對發動機而言，進氣系統的要求包含兩個方面：（1）最大進氣阻力，所選擇的空濾濾芯必須滿足不同工況下的最大允許壓力要求［9］，空氣濾清器結構，如圖2所示。某發動機進氣要求，如表1所示；（2）進氣流量的要求，針對所研究的發動機而言，其要求的每側進氣量為904.5L/s。

表1 發動機進氣要求Tab.1 Engine Intake Requirements

圖2 空濾內部結構圖Fig.2 Air Filter Internal Structure

在進氣系統設計過程中，首先應該保證進氣阻力滿足發動機使用要求，因而首先計算該選型的總進氣阻力，完成進氣阻力的校核。整個進氣過程的總阻力包括兩個部分，一是空濾濾清過程產生的阻力，二是進氣管道產生的沿程阻力。整個進氣過程的總阻力［10］：

式中：P1-空濾器進氣阻力；P2-其余管道總阻力。

所選擇的空濾器進氣阻力（濾芯干凈時）：8英寸/237mm水柱高度；管道總阻力包括135°的10英寸直徑的彎管、135°的5.5英寸彎管、0.5英尺長的10英寸管、3.3英尺長的（10-5.5）英寸變徑管、2.88英尺長的5.5英寸直管。經查管道阻力對應表得其總阻力為2.079英寸/52.8mm水柱高度。

而后進氣流量校核，選擇空濾的首要條件就是其進氣流量要滿足要求。所選重型空濾，其單個最大流量是：972.27L/s＞904.5L/s，滿足發動機要求。

2.3 排氣系統設計

發動機排氣系統一般包括：波紋管、排氣硬管、消音器等部件，有時為了防止排氣的高溫對車輛其他零部件或總成產生不利影響，一般會在管道外部包裹隔溫材料。為寒冷地區設計的排氣系統一般有消聲器與貨箱底板加熱的切換設計。在排氣系統的設計過程中一定要注意軟連接的應用，特別是發動機渦輪增壓器處必須連接波紋管，以防止給增壓器過大的載荷，使高溫狀態下增壓器產生變形損壞。

（1）排氣管道CFD模擬，如圖3所示，為一個典型CFD流體模擬仿真計算的流程圖。依照上述步驟首先對排氣管進行三維建模，然后倒入Fluent前處理程序Gambit中進行網格劃分，如圖4所示，完成網格劃分后的排氣管模型。而后設置邊界條件，采用k-ε湍流模型進行模擬，得到排氣管的進出口壓力差，如表2所示。而后可得到排氣管速度、靜壓、總壓等分布圖，如圖5所示。

圖3 CFD仿真計算流程圖Fig.3 CFD Simulation Calculation Flow Chart

圖4 排氣管網格圖形Fig.4 Exhaust Pipe Grid Pattern

圖5 排氣管流場分析結果Fig.5 Exhaust Pipe Flow Field Analysis Result

表2 排氣管進出口壓力Tab.2 Exhaust Pipe Inlet and Outlet Pressure

由圖5的速度矢量和壓力分布圖可知，所設計的排氣管路比較合理，未出現明顯的真空負壓區。由表2可知進出口的壓差為1716Pa。

（2）消音器設計及仿真，針對沒有發動機的排氣噪聲頻譜圖的實際情況，不采用控制噪聲幅值大的頻率的方法。

①結構設計

消音器的進口直徑一般采用與發動機排氣管到消音器進口端的管道的直徑相等的設計方法，所以消音器的進口直徑d為已知的。根據統計資料可以得出礦用車的消聲器的擴張比M（消音器擴張腔的橫截面積與消音器進口處管道的橫截面積之比）的取值范圍一般為2～10，消音器的長寬比（消音器的長度與直徑的比值）取值一般為1.5～5。因此可以算擴張腔的直徑D和消音器的長度。由以上消音器的外殼尺寸大體的可以確定［15］。

式中：d-消聲器進口直徑；M-消音器擴張腔的橫截面積與消音器進口處管道的橫截面積之比。

典型的單節擴張腔消音器對一些頻率不起作用，相應的頻率被稱為通過頻率。如果采用內插管結構，一端插入擴張部分長度的1/4，一端插入1/2，如圖6所示，那么就可以衰減一部分的通過頻率。因此，為了更好的消音性能采用以上內插管的結構。其中內插管中的空腔直徑可以根據經驗給出，如果空腔直徑大了，則對發動機動力性能比較好。

圖6 消音器結構圖Fig.6 Silencer Structure

②消音器傳遞損失的計算

消音器傳遞損失TL，可以用傳遞矩陣計算，

式中：A、B、C、D-聲場傳遞矩陣的四個子式。

此消音器的傳遞矩陣是由基本的消音單元相乘得到。此消音器用到的消音單元包括直管段與兩個穿孔管段。對于直管段，設剛性直管的長度l，橫截面積為S，入口的聲壓和體積速度分別為p1、U1，入口的聲壓和體積速度分別為p2、U2，結構如圖7所示。

圖7 消音器直管單元Fig.7 Silencer Straight Tube Unit

根據聲場傳遞矩陣的定義可得直管的聲場傳遞矩陣為：

圖8 消音器穿孔管單元Fig.8 Silencer Perforated Pipe Unit

穿孔管段的聲場傳遞矩陣為：

③消音器流場分析

利用Fluent軟件，對消音器進行三維建模而后進行流場分析，獲得壓力損失與流場速度壓力分布情況。對于有限元模擬的三個步驟，建模，劃分網格都很容易，網格模型如圖9所示。在消音器的模擬過程中最值得一提的是穿孔板多孔介質的設置，采用了porous-jump定義其邊界條件，既很好的模擬了多孔結構，同時又避免了過大的模型對模擬的不利影響。

圖9 消聲器三維模型網格Fig.9 Muffler 3D Model Mesh

設置好各種條件后計算，經230步迭代完成計算，殘差圖、壓力損失圖、速度云圖、速度矢量圖如圖10所示。如表3所示，為消音器進出口壓力的情況。

由圖10和表3的分析結果可知，消聲器流場分布均勻，進出口的壓力損失為1802.38Pa。排氣管和消聲器總壓損為1716Pa+1802.38Pa，共計3518.38Pa即為3.52KPa。所研究的發動機的排氣背壓要求為不大于6.1KPa，即所設計的系統滿足要求。

表3 消音器進出口壓力Tab.3 Muffler Inlet and Outlet Pressure

圖10 消聲器流場分析結果Fig.10 Muffler Flow field Analysis Result

3 試驗分析

根據《聲學消聲器測量方法GB/T4760-1995》的要求建立排氣系統消聲器實驗臺。將所設計的排氣管和消聲器安裝到試驗平臺上，首先根據發動機排氣量和流速進行噪聲測試，獲取該消聲器的消音效果圖，如圖11（a）所示；再通過改變排氣量速度，獲取不同流速下的消聲效果如圖11（b）所示。

如圖11（a）所示，根據法規要求，排氣系統必須把排氣噪聲消減到符合法令標準或工業上公認的要求水平，而工程機械一般降噪水平為12到18dBA；可知所設計的消聲器最高可達40dBA，可知消聲結果滿足要求；由圖12（b）可知，消聲器的消聲量隨著流速增加整體下降，但下降幅度不同；而達到發動機的排氣流量流速時，壓力損失為1869.12Pa，而設計值為1802.38Pa，二者的誤差為3.72%，結果基本一致，表明設計結果是可靠的。

圖11 消音器消音效果圖Fig.11 Silencer Silencer Effect Diagram

4 結論

針對發動機的進排氣系統進行設計分析，包括進氣管、排氣管和消聲器，采用CFD分析和試驗相結合的方法進行驗證，結果可知：

（1）發動機進氣系統必須滿足最大進氣阻力和進氣流量的要求，最大進氣阻力包括空濾濾清過程產生的阻力和進氣管道產生的沿程阻力，空濾器進氣阻力（濾芯干凈時）：8英寸/237mm水柱高度；管道總阻力為2.079英寸/52.8mm水柱高度；單個最大流量是：972.27L/s＞904.5L/s，滿足要求；

（2）排氣系統的排氣管路和消聲器總壓損為3.52KPa，滿足發動機排氣背壓要求；同時系統的CFD分析結果表明管道布局合理，無真空區和負壓區，氣流順暢；

（3）試驗結果表明，消聲器消聲效果最高可達40dBA，可知消聲結果滿足要求；消聲器的消聲量隨著流速增加整體下降，但下降幅度不同；而達到發動機的排氣流量流速時，壓力損失為1869.12Pa，而設計值為1802.38Pa，二者的誤差為3.72%，結果基本一致，表明設計結果是可靠的。