劉艷芬，段增旭，李帥，焦延，付召輝

（陜西重型汽車股份有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著重型商用卡車在快遞運(yùn)輸、?；愤\(yùn)輸、日用工業(yè)品運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的廣泛使用，國(guó)內(nèi)外各大重卡企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。為了贏得市場(chǎng)，必須滿足客戶的特殊需求，尤其是車輛燃油經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)輸時(shí)效性。其中低油耗是客戶購(gòu)車關(guān)注的重中之重。

進(jìn)氣系統(tǒng)負(fù)責(zé)給發(fā)動(dòng)機(jī)提供清潔干燥的氣體，進(jìn)而改善發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和排放性能。進(jìn)氣扁管位于進(jìn)氣氣流的第一道關(guān)卡，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)性能的好壞。進(jìn)氣扁管的粗濾結(jié)構(gòu)在一定程度上雖然能延長(zhǎng)客戶的更換濾芯周期，卻會(huì)使阻力大大增大，使油耗上升。由此可見(jiàn)，很有必要研究旋流管對(duì)進(jìn)氣阻力的影響效果[1]。

進(jìn)氣扁管通常固定在駕駛室后圍，不僅要適應(yīng)駕駛室整體造型還要有足夠的壓筋增加強(qiáng)度。加工工藝多以吹塑為主。由于進(jìn)氣扁管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形極其不規(guī)則，通過(guò)理論計(jì)算的方法描述進(jìn)氣扁管性能非常困難，且精度低。所以對(duì)進(jìn)氣扁管性能的研究多以試驗(yàn)研究為主[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬也得到廣泛的應(yīng)用。計(jì)算流體力學(xué) CFD（Computa-tional Fluid Dynamics）得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。通過(guò)CFD這種虛擬設(shè)計(jì)手段對(duì)進(jìn)氣扁管進(jìn)行研究，可以獲取大量的氣體流動(dòng)的數(shù)據(jù)，利用計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以大大減少開(kāi)發(fā)周期和費(fèi)用。

本文對(duì)是否帶直通旋流管式預(yù)濾器結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣扁管進(jìn)行研究對(duì)比，分析旋流管對(duì)進(jìn)氣阻力的影響，為進(jìn)氣系統(tǒng)匹配選用提供參考；接下來(lái)建立兩種防水結(jié)構(gòu)進(jìn)氣扁管構(gòu)型，將扁管內(nèi)部流場(chǎng)可視化，得到數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 CFD分析前準(zhǔn)備

基于Star CCM+流體力學(xué)計(jì)算方法，對(duì)幾何模型、分析模型創(chuàng)建、網(wǎng)格劃分和邊界條件分別介紹如下。

1.1 幾何模型

對(duì)分析對(duì)象結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)要說(shuō)明。

圖1 帶直通旋流管式預(yù)濾器進(jìn)氣扁管

如圖1所示，帶直通旋流管的進(jìn)氣扁管由進(jìn)口防水格柵、直通式旋流管、旋流管支撐板、扁管本體及排塵袋組成。

圖2 帶防水結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣扁管

如圖2所示，帶防水結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣扁管主要由進(jìn)口格柵、防水導(dǎo)向筋、扁管本體及排塵袋組成。

1.2 分析模型

流體分析模型是通過(guò)提取流體流經(jīng)區(qū)域得到的實(shí)體模型。在CATIA三維設(shè)計(jì)軟件中利用幾何體的拓?fù)溆?jì)算減掉中間筋板等特征，并簡(jiǎn)化不必要的圓角和尖角。為網(wǎng)格劃分做好準(zhǔn)備。

1.3 網(wǎng)格劃分

處理好的模型導(dǎo)入Hypermesh中劃分三角形面網(wǎng)格，在Star CCM+中生成六面體網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)量適中，不僅保證計(jì)算精度也提高計(jì)算效率。

1.4 邊界條件

設(shè)置物理學(xué)模型，為仿真計(jì)算做以下假設(shè)：

1）進(jìn)氣系統(tǒng)工作時(shí)，氣體來(lái)源于外界大氣，顆粒和氣體的混合物看作是一種均勻介質(zhì)，它們之間沒(méi)有相對(duì)滑移；即進(jìn)氣扁管所有壁面均為無(wú)滑移速度邊界條件

2）流動(dòng)過(guò)程中密度不變，是不可壓縮流體；即介質(zhì)為靜態(tài)的不可壓縮理想氣體，層流狀態(tài)，K-Epsilon 湍流模型。

3）工作過(guò)程中溫度不變，是等溫過(guò)程。

模擬計(jì)算的邊界條件為：

1）空氣密度為1.225kg/m3，動(dòng)力粘度系數(shù)為1.7894×10-5N·s/m2，進(jìn)氣溫度為300K，環(huán)境大氣壓力101325Pa。

2）進(jìn)氣扁管進(jìn)口類型為mass flow inlet 質(zhì)量流量，流量值：0.733kg/s（額定流量2200m3/h）

3）進(jìn)氣扁管出口類型選擇為pressure outlet壓力出口。

4）設(shè)定迭代最大步驟10000（收斂為止）。

2 有/無(wú)旋流管進(jìn)氣扁管模擬計(jì)算結(jié)果

2.1 帶旋流管進(jìn)氣扁管分析結(jié)果

殘留值呈現(xiàn)收斂狀態(tài)，可結(jié)束迭代運(yùn)行過(guò)程，得到計(jì)算結(jié)果。對(duì)帶旋流管進(jìn)氣扁管總成進(jìn)行CFD分析，進(jìn)氣扁管內(nèi)部為負(fù)壓區(qū)，進(jìn)出口壓降1.6kPa。

圖3 帶旋流管進(jìn)氣扁管計(jì)算結(jié)果

可以看出，壓力損失主要集中在旋流管處。流速較均勻，在進(jìn)口下截面水平面處有最小截面積，流速稍大。

2.2 不帶旋流管進(jìn)氣扁管總成分析結(jié)果

對(duì)不帶旋流管進(jìn)氣扁管總成進(jìn)行CFD分析，進(jìn)氣扁管內(nèi)部為負(fù)壓區(qū)，進(jìn)出口壓降87Pa。壓力分布較為均勻，無(wú)突變區(qū)域。

圖4 不帶旋流管進(jìn)氣扁管計(jì)算結(jié)果

可以看出，去掉旋流管后壓降大大降低，阻力分布均勻，幾乎沒(méi)有阻力下降。

3 帶防水結(jié)構(gòu)進(jìn)氣扁管模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 防水結(jié)構(gòu)1進(jìn)氣扁管總成分析結(jié)果

對(duì)結(jié)構(gòu)1防水結(jié)構(gòu)進(jìn)氣扁管總成進(jìn)行CFD分析，進(jìn)氣扁管內(nèi)部為負(fù)壓區(qū)，進(jìn)出口壓降1.37kPa。壓力分布很不均勻，在進(jìn)氣口下邊界截面處有壓力突變。

圖5 防水結(jié)構(gòu)1進(jìn)氣扁管計(jì)算結(jié)果

可以看出，較帶旋流管的進(jìn)氣扁管壓降較小，但此結(jié)構(gòu)存在明顯影響壓降的結(jié)構(gòu)特征，防水筋板Y向尺寸大，造成氣流有效通過(guò)最小截面積變小，引起幾何突變，阻力增加很明顯，且流速也隨之突增。結(jié)構(gòu)明顯不合理，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 防水結(jié)構(gòu)2進(jìn)氣扁管總成分析結(jié)果

對(duì)防水結(jié)構(gòu)2進(jìn)氣扁管總成進(jìn)行CFD分析，進(jìn)氣扁管內(nèi)部為負(fù)壓區(qū)，進(jìn)出口壓降498Pa。壓力分布較為均勻。

圖6 防水結(jié)構(gòu)2進(jìn)氣扁管計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)2較結(jié)構(gòu)1防水導(dǎo)向筋結(jié)構(gòu)更改，見(jiàn)圖2。防水導(dǎo)向筋由上向下依次變窄，從而增大氣流流經(jīng)的最小截面積。從云圖可以看出結(jié)構(gòu)2較結(jié)構(gòu)1壓降有明顯的下降，氣流較結(jié)構(gòu)1更加均勻。

從壓降角度來(lái)講，結(jié)構(gòu)2遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于結(jié)構(gòu)1，接下來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)2的防水性能進(jìn)行分析，是否滿足雨水分離效率≥65%的要求（試驗(yàn)可參考SAE J2554）。

4 雨水分離效率計(jì)算

結(jié)構(gòu)2相對(duì)于去旋流結(jié)構(gòu)增加防水導(dǎo)向筋，接下來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)2防水結(jié)構(gòu)進(jìn)氣扁管總成防水效果進(jìn)行分析計(jì)算。

4.1 邊界條件設(shè)置

雨滴和氣流方向如圖7所示：

圖7 雨滴和氣流方向示意圖

其中：V1——雨滴下落速度

V2——?dú)饬鞣较?/p>

表1 雨滴速度

表2 雨滴分布譜

4.2 仿真計(jì)算結(jié)果

雨水分離效率的計(jì)算公式：

經(jīng)計(jì)算：雨水總分離效率為 90.6%。針對(duì)不同粒徑和不同雨強(qiáng)情況下的雨水分離效率見(jiàn)下表：

表3 不同粒徑的雨水分離率

表4 不同雨強(qiáng)情況下的雨水分離效率

由此可見(jiàn)：雨滴粒徑越小，分離效率越低；不同雨強(qiáng)下的分離效率為：大雨＞中雨＞小雨。所以在小雨的情況下，水分離效率最低。

計(jì)算得到不同粒徑雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡的云圖如下：

圖8 不同粒徑雨滴計(jì)算結(jié)果

由圖8云圖可以看出：結(jié)構(gòu)2整體流場(chǎng)比較順暢，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重渦流區(qū)域。

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算分析，可以得到四種結(jié)構(gòu)進(jìn)氣扁管的壓降，見(jiàn)下表。

表5 四種進(jìn)氣扁管壓降計(jì)算結(jié)果

其中帶旋流管預(yù)濾結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣扁管壓降最大，較去掉旋流管預(yù)濾結(jié)構(gòu)阻力增加1.513kPa，可以近似認(rèn)為壓降全部來(lái)源于旋流管預(yù)濾結(jié)構(gòu)。據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，進(jìn)氣阻力每增加1kPa，油耗約增加 1%。根據(jù)精準(zhǔn)個(gè)性化設(shè)計(jì)原則，對(duì)運(yùn)行工況較好，油耗要求低的車輛建議選用不帶旋流管粗濾功能的進(jìn)氣扁管。

防水結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣扁管：結(jié)構(gòu) 2壓降較結(jié)構(gòu) 1壓降下降0.872kPa，降低175%，并且壓力分布較為均勻，不存在突變區(qū)域。結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)較合理；

對(duì)防水結(jié)構(gòu)2進(jìn)氣扁管做進(jìn)一步的雨水分離效率計(jì)算，得到總分離效率為90.6%，大于設(shè)計(jì)要求的65%，滿足要求。雨滴粒徑越小，雨越小分離效率越低。因此車輛在小雨環(huán)境中長(zhǎng)久運(yùn)行會(huì)進(jìn)入較多的雨水，建議司機(jī)加強(qiáng)檢查空濾器濾芯情況。

由此可見(jiàn)，進(jìn)氣扁管帶旋流管預(yù)濾結(jié)構(gòu)對(duì)于以清潔瀝青路面為主，對(duì)油耗要求高的物流重卡而言并不一定是最優(yōu)方案。而在設(shè)計(jì)前期對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可及時(shí)發(fā)現(xiàn)不合理結(jié)構(gòu)并進(jìn)行改善，最終得到滿意的結(jié)果：既保證防水性能也降低阻力。從而大大縮短設(shè)計(jì)周期。

[1] 楊志剛,張文博,何文軍等.重型卡車進(jìn)氣扁管仿真及性能分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用. 2015(3):24-29.

[2] 李虎強(qiáng),褚超美,凌建群.基于CFD的柴油機(jī)進(jìn)氣性能仿真研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,2011.32（5）：88-92.