楊志剛，張文博，何文軍，王 磊

(陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西西安 710200)

0 引言

重型商用車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣都要經(jīng)過進(jìn)氣扁管完成(空氣在進(jìn)入空濾器之前所經(jīng)過的狹長管道，一般形狀為前后尺寸小于左右尺寸，故俗稱進(jìn)氣扁管，常見材料有鐵質(zhì)和塑料兩種)。國內(nèi)車型的進(jìn)氣道大部分固定于駕駛室后部，國外車型的進(jìn)氣道有布置在駕駛室下部。目前，具有粗濾功能的進(jìn)氣扁管基本上采用黑色塑料，由發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣渦輪增壓器提供動(dòng)能進(jìn)行吸氣供給發(fā)動(dòng)機(jī)。進(jìn)氣扁管的底端連接空氣濾清器，主要作用是除灰防水。進(jìn)氣扁管為一級過濾，空濾為二級過濾，過濾后的干凈空氣經(jīng)過渦輪增壓器－中冷－發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管路進(jìn)入到各個(gè)氣缸和柴油燃燒。近些年隨著發(fā)動(dòng)機(jī)馬力和排量的增加，燃燒所需的氧氣也越多，進(jìn)氣量增加，導(dǎo)致從進(jìn)氣口進(jìn)入的粉塵和雨滴也會(huì)相應(yīng)增多，使空濾器工作負(fù)荷增加。當(dāng)空濾器內(nèi)的水和粉塵積聚造成進(jìn)氣阻力超限，進(jìn)氣系統(tǒng)報(bào)警，油耗上升，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。重型商用車輛空濾濾芯兩星期就要更換新件，為了降低更換次數(shù)，減小使用成本，簡單的進(jìn)氣扁管構(gòu)型已不能滿足性能要求，對其防雨防塵設(shè)計(jì)也變得非常重要［1］。

重型商用車輛進(jìn)氣扁管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既要滿足氣體的流通性，又要對氣體流動(dòng)進(jìn)行組織。其關(guān)鍵部位的尺寸對進(jìn)氣流動(dòng)影響很大，找到這些關(guān)鍵部位并合理進(jìn)行進(jìn)氣扁管的改進(jìn)是優(yōu)化的重點(diǎn)。數(shù)值模擬技術(shù)在汽車行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)也成為各學(xué)科工作者追求的目標(biāo)［2］。利用仿真軟件對帶有旋流管的進(jìn)氣扁管進(jìn)行模擬分析，將扁管流場可視化，能直觀的顯示出流動(dòng)結(jié)構(gòu)的不合理之處，使進(jìn)氣道的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有針對性。

1 性能分析

表1所列灰塵粒度分為三級，路面灰塵中以SiO2、Fe2O3占絕大比例，屬于高硬度研磨材料，其硬度達(dá)莫氏硬度7級左右。研究表明，20.000 μm的粒子對發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸磨損最為嚴(yán)重，進(jìn)氣灰塵對氣缸、活塞、活塞環(huán)、氣門、氣門導(dǎo)管等會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，灰塵透過活塞環(huán)，進(jìn)入曲軸箱，也會(huì)加劇曲軸軸承、連桿軸承、曲軸徑的磨損。所以合理的設(shè)計(jì)進(jìn)氣扁管防雨防塵性能，可以減少灰塵和雨水的吸入量，延長空濾器的使用壽命。

表1 灰塵粒度分級

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算模型建立

目前應(yīng)用較多的是瓊斯和勞德提出的K－ε雙方程模型，列出進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)不可壓縮湍流流動(dòng)的控制方程組［3］。

質(zhì)量守恒方程:

式中:ρ是密度;t是時(shí)間;u，v，w 是速度在 x，y，z方向的分量。

動(dòng)量守恒方程:

式中:ρ是流體微元體上的壓力，τxx，τyx，τzx等是分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力T 的分量，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)Z是微元體上的力。

能量方程:

式中:CP是比熱容，T為溫度，K為流體的傳熱系數(shù)，Sr為內(nèi)熱源以及由于摩擦作用及流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

k－ε標(biāo)準(zhǔn)方程:

式中:GK是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)，是由于浮力引起的湍動(dòng)能K為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，模型常數(shù)由實(shí)驗(yàn)得到的具體取值為:G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3［4］。

2.2 流動(dòng)特性分析

對旋流式進(jìn)氣扁管進(jìn)行模擬，進(jìn)氣流量為1 800.000 m3/h，空氣密度取 1.210 kg/m3，質(zhì)量流率為 0.605 kg/s，計(jì)算得到壓力和速度云圖(見圖1，2所示)。壁面壓力云圖顏色均勻，由于有旋流管存在，進(jìn)氣端進(jìn)氣阻力大，造成旋流管外側(cè)區(qū)域壓力較高。觀察切面壓力云圖，發(fā)現(xiàn)氣流經(jīng)過旋流葉片后，管壁附近的氣流壓力大于中心區(qū)域，說明氣流向旋流管壁面運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)入主體時(shí)氣流呈集束狀，是由于旋流管道的作用造成;主流道上半部分壓力小，下半部分壓力大，整個(gè)主流道的壓力未平衡，氣流垂直進(jìn)入主流道，氣流主要在流道下方流動(dòng)。旋流管的個(gè)數(shù)決定了進(jìn)氣流量的大小，在入口端應(yīng)布置盡可能多的旋流管，增大進(jìn)氣流量，且旋流管的直徑不能過小，以保證進(jìn)氣阻力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。觀察圖2速度切面云圖發(fā)現(xiàn)，氣流的流動(dòng)特性與壓強(qiáng)圖一致，在主流道下半?yún)^(qū)域氣流流動(dòng)速度較快上半部分氣流流動(dòng)速度較低，上半?yún)^(qū)域平均流速為8.000 m/s，下半?yún)^(qū)域平均流速為30.000 m/s，速度相差較大。觀察局部區(qū)域的放大圖發(fā)現(xiàn)氣流出現(xiàn)旋流運(yùn)動(dòng)，此種現(xiàn)象出現(xiàn)會(huì)造成氣體動(dòng)能的多余損失，流速下降，大旋流也會(huì)造成噪聲增加，分析認(rèn)為進(jìn)氣口和主流道呈垂直布置，且邊界區(qū)域無圓角過度，造成氣體的旋流［5］。

圖1 進(jìn)氣扁管壓力云圖

圖2 進(jìn)氣扁管速度云圖

通過局部放大圖2(b)看出，靠近壁面的區(qū)域速度比中心大，也證明了旋流葉片起作用，氣流通過四葉片的旋流后，由于離心力的作用向壁面擴(kuò)散，中心區(qū)域的氣流稀薄壁面壓強(qiáng)高于中心。氣流也會(huì)帶著液滴向壁面擴(kuò)散，進(jìn)入柱形格擋，以達(dá)到防雨防塵的效果。

圖3為旋流管四葉片及六葉片結(jié)構(gòu)示意圖，分別設(shè)計(jì)四葉片和六葉片結(jié)構(gòu)，計(jì)算壓降和速度。圖4、圖5為旋流管壁面壓力云圖和旋流管速度云圖。旋流管的流量等于總流量除以進(jìn)氣端旋流管的個(gè)數(shù)。計(jì)算表明六葉片的旋風(fēng)管比四葉片的壓降大，通過速度云圖看出經(jīng)過旋流葉片的氣流螺旋式旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋流葉片作用明顯。氣流的旋流會(huì)帶動(dòng)灰塵和葉滴的旋轉(zhuǎn)，由于灰塵顆粒和雨滴自身質(zhì)量，會(huì)呈螺旋線型旋轉(zhuǎn)，最終進(jìn)入桶后方隔離環(huán)，灰塵和雨滴從隔離環(huán)的外側(cè)流入隔板內(nèi)后從排塵口排出，空氣則從隔離環(huán)的內(nèi)部進(jìn)入扁管，達(dá)到水氣分離的效果。

圖3 四葉片和六葉片實(shí)物圖

圖4 旋流管壁面壓力云圖

圖5 旋流管速度云圖

2.3 兩相流模擬分析

粒子的動(dòng)能來源于氣流運(yùn)動(dòng)，對防灰防雨能力進(jìn)行判斷，要進(jìn)行兩相流模擬。在兩相流研究中，把物質(zhì)分為連續(xù)介質(zhì)和離散介質(zhì)。氣體和液體屬于連續(xù)介質(zhì)，也稱為連續(xù)相和流體相。固體顆粒、液滴和氣泡屬于離散介質(zhì)，也稱為散相或顆粒相。歐拉.拉格朗日法以及歐拉.歐拉法是目前應(yīng)用于多相流研究的最主要的兩種方法。兩種方法應(yīng)用范圍各有不同，其中在歐拉.拉格朗日方法中，流體主相和離散相分別求解，主相被視作連續(xù)相來求解納維.斯托克斯方程，而離散相的運(yùn)動(dòng)解析解則是通過計(jì)算流場中大量粒子運(yùn)動(dòng)得到。與歐拉一拉格朗日法所不同的是在歐拉.歐拉法中主相和離散相并不是獨(dú)立求解，不同的流體相作為互相貫穿的一種連續(xù)介質(zhì)。本文利用歐拉.拉格朗日方法來計(jì)算模擬，粒子粒徑分布1.000～50.000 μm。

通過前期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定出百葉窗的正面投影為全封閉狀態(tài)的設(shè)計(jì)。首先對外部百葉窗投影未封閉和百葉窗投影全封閉進(jìn)行兩相流模擬對比，如圖6所示。圖7為粒子的速度軌跡圖，計(jì)算時(shí)簡化構(gòu)型，扁管外部設(shè)置流場區(qū)域，粒子發(fā)出方向與進(jìn)氣道入口垂直。通過對比發(fā)現(xiàn)百葉窗正面投影在未封閉狀態(tài)下，有部分粒子進(jìn)入到進(jìn)氣扁管內(nèi)部如圖7(a);圖7(b)為格柵全封閉狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)無粒子進(jìn)入進(jìn)氣扁管內(nèi)部。圖8是對旋流管四葉片和六葉片的兩相流模擬，通過粒子軌跡發(fā)現(xiàn)，粒子在壁面都開始旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過旋流管的外環(huán)進(jìn)入到擋水格內(nèi)部，達(dá)到了除塵除雨的效果。四葉片和六葉片設(shè)計(jì)都達(dá)到了離心分離的作用。但是雨滴實(shí)際運(yùn)動(dòng)中的碰撞聚合碎裂無法模擬，所以防雨的能力還需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。推薦設(shè)計(jì)3種結(jié)構(gòu):①四葉片加未封閉百葉窗;②四葉片加全封閉百葉窗;③六葉片加全封閉百葉窗。

一般認(rèn)為增壓器前壓降小于3.5 kPa，不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能。三種設(shè)計(jì)都需進(jìn)行壓降試驗(yàn)確定構(gòu)型，最終生產(chǎn)構(gòu)型要滿足壓降及成本要求。

圖6 百葉窗示意圖

圖7 進(jìn)氣扁管內(nèi)部兩相流模擬軌跡圖

圖8 旋流管兩相流模擬軌跡圖

3 結(jié)論

對旋流式進(jìn)氣系統(tǒng)展開研究，利用氣動(dòng)及兩相流理論對構(gòu)型進(jìn)行模擬分析，使內(nèi)部流場可視化，明確扁管內(nèi)部流動(dòng)特性，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

(1)通過模擬分析發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣口和主流道垂直布置時(shí)，氣體在此區(qū)域出現(xiàn)旋流，流動(dòng)不暢;進(jìn)氣扁管內(nèi)部的壓力和速度分布并不均勻，主流道下半?yún)^(qū)域速度快壓力高，上半?yún)^(qū)域反之。

(2)為進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了設(shè)計(jì)理論和方法，進(jìn)氣道設(shè)計(jì)盡量用圓角過渡，進(jìn)氣端面應(yīng)加大入口面積，以降低壓降;在滿足壓降的同時(shí)外部百葉窗投影面盡可能封閉。

［1］ 李海渡，蘇國萃.起重運(yùn)輸車輛發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，2008(8):60 －69.

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