婁潔（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院　安徽蕪湖　241006）

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CFD分析在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲解決方案中的應(yīng)用

婁潔
（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院安徽蕪湖241006）

摘要：進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲是整車的噪聲源之一，其噪聲的控制和優(yōu)化是提高整車NVH品質(zhì)的重要工作之一，一直困擾著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。引入CFD分析結(jié)合試驗(yàn)的方法，可以準(zhǔn)確快速地選擇降低噪聲的方案，對提高進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率、減低設(shè)計(jì)成本具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲；CFD；試驗(yàn)

隨著汽車產(chǎn)銷量不斷提升，國家對汽車性能的要求也越來越高，同時(shí)頒布了諸多法規(guī)來保證整車性能的水平。其中車輛噪聲振動(dòng)的控制就是相關(guān)法規(guī)的重要內(nèi)容，汽車產(chǎn)品的國家強(qiáng)制性檢測項(xiàng)目就包括車輛加速通過車外噪聲。對主機(jī)廠而言，按照相關(guān)法規(guī)的要求，將車輛的通過噪聲降低規(guī)定范圍內(nèi)，才能使其整車產(chǎn)品被消費(fèi)者認(rèn)可。

一、進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲簡介

在汽車的各個(gè)噪聲源中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)是非常重要的一個(gè)。在四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過程中，由于進(jìn)氣門周期性的開、閉產(chǎn)生了進(jìn)氣系統(tǒng)中氣流的壓力波動(dòng)。在進(jìn)氣門持續(xù)開啟的行程內(nèi)，活塞由上止點(diǎn)向下止點(diǎn)運(yùn)行進(jìn)行吸氣，活塞附近氣體分子的運(yùn)動(dòng)速度基本一致，由此在進(jìn)氣管內(nèi)就會(huì)形成壓力脈沖，壓力波撞擊進(jìn)氣管壁，形成脈沖噪聲；進(jìn)氣行程中，高速流動(dòng)的氣流通過氣門界面時(shí)，由于進(jìn)氣道和燃燒室的形狀設(shè)計(jì)，會(huì)形成劇烈的渦流運(yùn)動(dòng)，由此產(chǎn)生渦流噪聲；另外，當(dāng)氣流的自身頻率和進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲的主要頻率數(shù)值相等時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共鳴，進(jìn)而加劇了系統(tǒng)噪聲。而在進(jìn)氣門持續(xù)關(guān)閉過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作導(dǎo)致進(jìn)氣管中的空氣壓力和速度發(fā)生波動(dòng)，并會(huì)沿進(jìn)氣管道傳播，在進(jìn)氣管道內(nèi)經(jīng)過多次反射碰壁，產(chǎn)生噪聲。由此可見，進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲控制和優(yōu)化是提高整車噪聲品質(zhì)的重要工作之一。

目前，在價(jià)位較低的經(jīng)濟(jì)型轎車品牌中，普遍存在著噪聲過大的問題。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，進(jìn)氣噪聲一直困繞著整個(gè)設(shè)計(jì)過程。以往為了解決上述噪聲問題，通常要靠實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，這樣就增加了許多風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致資源和時(shí)間的浪費(fèi)，且空氣屬于流體范疇，受環(huán)境和測試精度等方面的影響較大，光靠經(jīng)驗(yàn)來判斷是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的；另外，實(shí)驗(yàn)的周期長、成本高、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差大等問題很難解決。

二、CFD分析在NVH中的應(yīng)用

（一）何為CFD分析。CFD是“計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)”的英文首字母縮寫，其完整譯文為computational Fluid Dynamics,簡稱CFD。是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像顯示處理技術(shù)，對包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析，能從時(shí)間和空間上定量描述流場的數(shù)值解[1][2]。

從20世紀(jì)60年代開始，在汽車工程領(lǐng)域就引入計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用，比如，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)、燃燒室、氣缸中的氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻、汽車制動(dòng)系統(tǒng)等液力系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算及汽車空氣動(dòng)力數(shù)值模擬等。[3]經(jīng)過幾十年的應(yīng)用發(fā)展和創(chuàng)新，如今包含車身、擾流板、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)室等在內(nèi)的汽車上眾多部位的車體模擬和性能模擬均可以實(shí)現(xiàn)，且計(jì)算精度和誤差已控制極小的范圍。

（二）CFD分析的優(yōu)點(diǎn)。為了解決上述進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問題，國內(nèi)外各大主機(jī)廠商均采用CFD分析，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)性能，改善進(jìn)氣噪聲品質(zhì)。實(shí)踐證明，CFD分析具有以下功能和優(yōu)勢：

1.前期輔助設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)初期就針對數(shù)模進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)合理的通過性壓降，充分利用空間，減少紊流，這樣能大大降低噪聲，提高進(jìn)氣的整體性能。

2.降低成本。使用分析以后，就能減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提前預(yù)知實(shí)驗(yàn)的大概結(jié)果，每減少一輪實(shí)驗(yàn)就能減少很多費(fèi)用，這對節(jié)約成本，降低損失有很大作用。

3.降低周期。分析可以和設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，這樣就能減少驗(yàn)證周期，提高設(shè)計(jì)效率。

（三）CFD分析應(yīng)用的舉例。針對進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問題，解決的最好方法是增加諧振腔，降噪的效果取決于諧振腔的容積，容積越大，覆蓋的噪聲頻率越大。不過該車型前艙偏小，諧振腔安放困難；太小的諧振腔效果不明顯；增加諧振腔會(huì)增加一定成本。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)壓降、進(jìn)出口半徑、流速、內(nèi)部紊流等因素，我們對某車型進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，選擇了更改引氣管進(jìn)氣方式來進(jìn)行降噪，設(shè)計(jì)多種方案進(jìn)行對比，通過CFD分析優(yōu)化后，根據(jù)分析選定的方案，做快速成型件，通過NVH實(shí)驗(yàn)跟蹤實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，選定最優(yōu)方案。

1.方案設(shè)計(jì)與對比。為解決該車型進(jìn)氣系統(tǒng)NVH問題，設(shè)計(jì)了五套方案進(jìn)行分析和對比。

（1）方案一：內(nèi)徑25mm縮口引氣管，該方案計(jì)算壓降為2.7kpa。

圖1　方案1

圖2　方案2

（2）方案二：內(nèi)徑30mm縮口引氣管，該方案計(jì)算壓降為2.3kpa。

（3）方案三：引氣管截面半徑40mm，該方案計(jì)算壓降為2.0kpa。

圖3　方案三

（4）方案四：引氣管進(jìn)口截面半徑40mm，出口截面半徑50mm；該方案計(jì)算壓降為1.9kpa。

圖4　方案四

圖5　方案五

（5）方案五：根據(jù)NVH試驗(yàn)中心的建議，設(shè)計(jì)該種進(jìn)氣方式，但是CFD分析計(jì)算結(jié)果顯示對空濾壁面產(chǎn)生強(qiáng)烈撞擊，同時(shí)產(chǎn)生紊流，不利于整個(gè)進(jìn)氣流暢性，增加氣阻。故取消該方案。

2.試驗(yàn)及結(jié)果。根據(jù)分析選定的四種方案，分別對應(yīng)制作了快速成型件，方案一對應(yīng)樣件1，以此類推，并基于樣件開展NVH試驗(yàn)。試驗(yàn)中，對車上成員的聽覺反應(yīng)做了測試，選取了駕駛員右耳、右后乘客左耳位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

圖6　DRE處噪聲

（1）圖6為駕駛員右耳處所測得的噪聲（圖中：DRE表示駕駛員右耳）。各樣件在試驗(yàn)中，均表現(xiàn)出在發(fā)動(dòng)機(jī)2500r/min附近的時(shí)候有明顯的降噪效果，其中方案1、方案3和方案4均降低了6dB左右。

圖7　RRL處噪聲

（2）圖7為右后乘客左耳處所測得的噪聲（圖中：RRL表示右后乘客左耳）。在該位置的噪聲數(shù)據(jù)中，明顯可以看出在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到2500r/min時(shí)，出現(xiàn)噪聲峰值，各方案中方案3的降噪效果最明顯，降噪達(dá)到6dB。

圖8　全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲數(shù)據(jù)

（3）圖8為全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的噪聲測試數(shù)據(jù)。不難看出，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，各方案的運(yùn)營均使進(jìn)氣口噪聲有明顯降低，其中方案3降低大概8dB。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，幾個(gè)方案的降噪效果都比較明顯，特別是方案三，在各個(gè)測試位置及綜合評定中都表現(xiàn)的非常優(yōu)秀。

三、結(jié)論

實(shí)踐表明，在工程應(yīng)用中CFD工具起到了虛擬仿真試驗(yàn)的作用[1]。通過在計(jì)算機(jī)上模擬流體的工作過程情景，進(jìn)行充分的CFD分析計(jì)算，對試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)有一定的預(yù)見性。因此，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，可準(zhǔn)確選擇解決問題的方案，最終完成工作目標(biāo)。

隨著人們對整車舒適性要求不斷提高，噪聲問題的解決方案越來越能體現(xiàn)一款車的真正品質(zhì)，同時(shí)也對消費(fèi)者購買提供了導(dǎo)向作用。采用CFD分析結(jié)合試驗(yàn)的方法，可以在最大程度上降低主機(jī)廠和相關(guān)零部件配套廠的研發(fā)和生產(chǎn)成本，提高解決進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲問題的效率、縮短研發(fā)改進(jìn)周期，因此具有很大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉志波，侯元靜，閔鵬，等.淺談CFD分析在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].重型汽車，2014，（5）：24-26.

[2]鄭美茹.基于CFD的汽車排氣歧管流場分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2010，（11）：11-14.

[3]張奇，趙又群，楊國權(quán).基于CFD的汽車外流場數(shù)值模擬的發(fā)展概述[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2005，（4）：8-11.

[責(zé)任編輯鄭麗娟]

The Application of the CFD Analysis in the Solution of the Engine Air Intake System Noise

Lou Jie
(School of Automotive Engineering,Wuhu Institute of Technology, Wuhu, Anhui 241006)

Abstract:The noise of the air intake system is one of the noise source on the vehicle, and the control and optimization of the noise is one of the important work to improve the vehicle NVH quality, which has plagued the design process of engine air intake system. In order to choose the plan to reduce noise accurately and quickly, the methods of CFD analysis and test has been introduced. It has obvious advantages on improving the design efficiency and reducing the design cost of the air intake system.

Key words:the noise of the air intake system; computational fluid dynamics; test

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2014A282）。

作者簡介：婁潔（1976-）,女,山東臨沂人，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院副教授，碩士,研究方向：汽車及其零部件和新能源汽車的設(shè)計(jì)、制造和檢修。

收稿日期：2015-09-25

中圖分類號(hào)：U464.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0438（2016）2-0145-03