于洋磊,胡見,曾志新,董愚
(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院,廣東廣州 511434)
作為汽車的重要組成部分,進(jìn)氣系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將凈化后的空氣輸送進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒室,氣流的大小和穩(wěn)定性將對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和整車排放等產(chǎn)生重要影響[1]。為此,在進(jìn)氣系統(tǒng)中一般安裝有空氣流量計(jì),用于監(jiān)測輸送進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的空氣量,以此作為ECU計(jì)算點(diǎn)火時(shí)間和噴油時(shí)間的重要依據(jù),從而讓發(fā)動機(jī)在各種工況下均可達(dá)到最佳的空燃比。為保證空氣流量計(jì)測量的空氣量具有準(zhǔn)確性和代表性,對其布置的研究就變得極為重要。
CFD數(shù)值仿真是流體力學(xué)、數(shù)值分析和計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物,是分析進(jìn)氣系統(tǒng)流場的主要方法[2]。在驗(yàn)證仿真模型及方法的基礎(chǔ)上,利用STAR-CCM+軟件,對不同插入角度、深度、軸向位置、管路入口圓角等因素影響下的空氣流量計(jì)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究,獲得了各因素對空氣流量計(jì)性能的影響規(guī)律,所得結(jié)論對空氣流量計(jì)布置設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。
圖1是進(jìn)氣系統(tǒng)的三維數(shù)模,由進(jìn)氣管、空氣濾清器、空氣流量計(jì)、進(jìn)氣軟管、進(jìn)氣硬管等組成。其中,空氣流量計(jì)位于空氣濾清器上殼體出口管路段。
圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)數(shù)模
圖2是不同布置位置下的空氣流量計(jì)示意圖。其中,圖2(a)為不同插入角度的空氣流量計(jì)位置示意圖,以+Z方向?yàn)榛鶞?zhǔn),在YZ平面內(nèi)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度α,得到不同插入角度的空氣流量計(jì)布置;圖2(b)為不同插入深度的空氣流量計(jì)位置示意圖,在YZ平面內(nèi),以空氣濾清器上殼體出口管路段內(nèi)表面最大Z坐標(biāo)處為基準(zhǔn),向下插入深度h,得到不同插入深度的空氣流量計(jì)布置;圖2(c)為不同軸向距離的空氣流量計(jì)位置示意圖,為便于觀察,以線框圖進(jìn)行展示。在XZ平面內(nèi),黑色空氣流量計(jì)位置處于最左側(cè),以其氣流入口為基準(zhǔn),向-X方向移動距離d,得到不同軸向距離的空氣流量計(jì)布置;圖2(d)為不同圓角半徑的示意圖,圓角位于空氣濾清器上殼體出口處,其圓角半徑為r。
圖2 不同布置位置的空氣流量計(jì)示意
通過改變插入角度α、插入深度h、軸向距離d和圓角半徑r等幾何參數(shù)以及進(jìn)氣系統(tǒng)入口質(zhì)量流量q,設(shè)計(jì)不同的物理模型來進(jìn)行研究,變量參數(shù)設(shè)置范圍見表1。
表1 變量參數(shù)范圍
采用空氣流量計(jì)入口速度偏差vd和湍流強(qiáng)度I對空氣流量計(jì)布置性能進(jìn)行評判。
(1)
(2)
式中:vmax為空氣流量計(jì)入口最大速度,m/s;vmin為空氣流量計(jì)入口最小速度,m/s;Re為雷諾數(shù)。
圖3為進(jìn)氣系統(tǒng)流體域網(wǎng)格模型。在劃分網(wǎng)格前首先進(jìn)行幾何處理,對模型進(jìn)行適當(dāng)簡化,且為了考慮節(jié)流損失,在進(jìn)氣口建立半球形包絡(luò)面,其半徑為進(jìn)氣口水力直徑的2倍。幾何處理后進(jìn)行面網(wǎng)格劃分,經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性分析,采用網(wǎng)格平均尺寸為2 mm,局部物理梯度較大的地方縮小至0.5~1 mm,物理梯度變化平緩的采用3 mm尺寸網(wǎng)格?;诿婢W(wǎng)格,采用STAR-CCM+軟件生成其特有的“蜂窩”狀多面體網(wǎng)格,具有更多相鄰單元,對于梯度計(jì)算和流動狀況預(yù)測更準(zhǔn)確,收斂速度更快[3]。對于近壁面區(qū)域,設(shè)置邊界層,厚度為2 mm,為控制體網(wǎng)格數(shù)量,設(shè)置增長率為1.2。網(wǎng)格總數(shù)約為350萬。
圖3 網(wǎng)格模型示意
由于進(jìn)氣系統(tǒng)額定流量為460 m3/h,最大速度小于100 m/s,馬赫數(shù)Ma<0.3,氣體可被認(rèn)為是不可壓縮流體的湍流運(yùn)動。湍流運(yùn)動是一種非常復(fù)雜的非線性運(yùn)動,如圖4所示,其數(shù)值模擬分為直接數(shù)值模擬法和非直接數(shù)值模擬法兩大類[4]。
圖4 湍流數(shù)值模擬方法
直接數(shù)值模擬法(DNS)是指對流場的湍流運(yùn)動不做任何形式上的簡化,將流動域直接用瞬態(tài)的N-S方程進(jìn)行求解。用此法進(jìn)行計(jì)算可以得到比用非直接法計(jì)算更加精確的數(shù)值模擬結(jié)果[5]。但限于技術(shù)條件,還無法在計(jì)算機(jī)上直接進(jìn)行計(jì)算。非直接數(shù)值模擬法是指先對湍流運(yùn)動進(jìn)行簡化,再計(jì)算湍流脈動特性。依簡化方法不同,其可分為Reynolds平均法、大渦模擬法以及統(tǒng)計(jì)平均法[6]。其中,標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型目前被廣泛應(yīng)用于傳熱、燃燒以及發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動的計(jì)算等,是工程計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣的一種湍流模型[7]。
為驗(yàn)證仿真方法精度,在空濾器性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行了不同入口流量下的進(jìn)氣系統(tǒng)壓損試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)環(huán)境介質(zhì)參數(shù)見表2。
表2 環(huán)境介質(zhì)參數(shù)
依據(jù)試驗(yàn)參數(shù),進(jìn)行相同條件下的數(shù)值仿真,入口條件設(shè)為壓力邊界,出口設(shè)為質(zhì)量流量邊界。進(jìn)氣系統(tǒng)視為絕熱系統(tǒng),壁面條件絕熱、無滑移。
表3為仿真壓損與試驗(yàn)壓損的對比表,相對誤差最大為5.05%,仿真方法具有較高的精度,該方法具有較高的可行性。
表3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比
圖5是不同插入角度的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口速度偏差云圖,X坐標(biāo)為插入角度α,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口速度偏差vd。在0°~30°區(qū)間,不同流量q下的速度偏差vd均隨插入角度α的增大而大幅減?。辉?0°~60°區(qū)間,速度偏差vd減幅變小,且隨著流量q的增大,減幅逐漸收窄,在額定流量460 m3/h時(shí)反而微增,最小值為35.58%;在60°~180°區(qū)間,對于低流量區(qū),速度偏差vd隨插入角度α增大而增大,最大值為48.93%,在中高流量區(qū),速度偏差vd在120°~150°區(qū)間出現(xiàn)減小,且隨流量q增大,減幅呈增大趨勢。表明插入角度α對速度偏差vd影響明顯,在高流量區(qū),速度偏差vd相對更小,且存在最佳插入角度區(qū)間,使得不同流量下的速度偏差均較小。
圖5 速度偏差云圖
圖6是不同插入角度的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口湍流強(qiáng)度云圖,X坐標(biāo)為插入角度α,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口湍流強(qiáng)度I。在0°~120°區(qū)間,湍流強(qiáng)度I隨插入角度α增大而小幅增大,在120°~180°區(qū)間,湍流強(qiáng)度I隨插入角度α增大而小幅減小。且在低流量區(qū),湍流強(qiáng)度I存在最大值,為5.64%,隨流量q逐漸增大,湍流強(qiáng)度I逐漸減小,在高流量區(qū)存在最小值,為4.43%。表明湍流強(qiáng)度I受插入角度α影響較小。
圖6 湍流強(qiáng)度云圖
圖7是不同插入深度的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口速度偏差云圖,X坐標(biāo)為插入深度h,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口速度偏差vd。在插入深度h較小且處于低流量區(qū)時(shí),速度偏差vd存在最大值,為63.01%。在9~18 mm區(qū)間,速度偏差vd隨插入深度h增大而大幅減?。辉?8~27 mm區(qū)間,速度偏差vd趨于平緩;在27~36 mm區(qū)間,速度偏差vd小幅減小;在36~45 mm區(qū)間,速度偏差vd大幅減小且在高流量區(qū)出現(xiàn)最小值為31.73%。在45~54 mm區(qū)間,速度偏差vd在低流量區(qū)趨于平緩,在高流量區(qū)小幅增大。表明插入深度h對速度偏差vd影響明顯,最大與最小速度偏差之差為31.28%,且在高流量區(qū),速度偏差vd相對更小。存在最佳插入深度區(qū)間,使得不同流量下的速度偏差均較小。
圖7 速度偏差云圖
圖8是不同插入深度的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口湍流強(qiáng)度云圖,X坐標(biāo)為插入深度h,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口湍流強(qiáng)度I。隨插入深度h增加,湍流強(qiáng)度I波動小幅減小。在低流量區(qū),湍流強(qiáng)度I存在最大值為5.68%,隨流量q逐漸增大,湍流強(qiáng)度I逐漸減小,在高流量區(qū)存在最小值為4.37%。表明湍流強(qiáng)度I受插入深度h影響較小。
圖8 湍流強(qiáng)度云圖
圖9是不同軸向距離的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口速度偏差云圖,X坐標(biāo)為軸向距離d,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口速度偏差vd。隨軸向距離d增加,速度偏差vd不斷增大,最大值為80.52%,且在軸向距離處于較大時(shí),速度偏差vd增大更快。即空氣流量計(jì)越靠近空氣濾清器上殼體出口處,其入口處速度偏差越大。隨流量q增加,速度偏差vd小幅減小,最小值為38.01%。表明軸向距離h對速度偏差影響很大,最大與最小速度偏差vd之差為42.51%。
圖9 速度偏差云圖
圖10是不同軸向距離的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口湍流強(qiáng)度云圖,X坐標(biāo)為軸向距離d,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口湍流強(qiáng)度I。在低流量區(qū),湍流強(qiáng)度I隨軸向距離增加而波動增大,在中高流量區(qū),湍流強(qiáng)度I隨軸向距離增加而不斷增大。在低流量區(qū),湍流強(qiáng)度I存在最大值,為5.69%,隨流量q逐漸增大,湍流強(qiáng)度I逐漸減小,在高流量區(qū)存在最小值,為4.39%。
圖10 湍流強(qiáng)度云圖
圖11是不同圓角半徑時(shí)的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口速度偏差云圖,X坐標(biāo)為圓角半徑r,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口速度偏差vd。在中低流量區(qū),當(dāng)r處于0~3 mm區(qū)間時(shí),速度偏差vd存在最大值,為47.29%,且速度偏差vd隨圓角半徑r增大而大幅減小,當(dāng)r處于3~6 mm區(qū)間時(shí),速度偏差vd趨于平緩,且在5~6 mm區(qū)間時(shí)有小幅增大。在高流量區(qū),當(dāng)r處于0~2 mm區(qū)間時(shí),速度偏差vd隨圓角半徑r增大而大幅減小,當(dāng)r處于2~3 mm區(qū)間時(shí),速度偏差vd小幅增大,而后逐漸減小,在4~5 mm區(qū)間趨于平緩,且達(dá)到最小值,為34.48%,在5~6 mm區(qū)間,速度偏差vd增大。表明圓角半徑r對速度偏差vd影響較大,且并不是一味增大r就可減小速度偏差vd,存在最佳圓角半徑使得速度偏差vd在不同流量下均為最小。
圖11 速度偏差云圖
圖12是不同圓角半徑時(shí)的空氣流量計(jì)在不同的進(jìn)氣系統(tǒng)流量時(shí)的入口湍流強(qiáng)度云圖,X坐標(biāo)為圓角半徑r,Y坐標(biāo)為進(jìn)氣系統(tǒng)流量q,Z坐標(biāo)為空氣流量計(jì)入口湍流強(qiáng)度I。在r處于0~4 mm區(qū)間時(shí),隨圓角半徑r增加,湍流強(qiáng)度I幾乎不變,在4~5 mm區(qū)間時(shí),湍流強(qiáng)度I增加,且在低流量區(qū)增幅相對明顯,而后在5~6 mm區(qū)間減小。表明圓角半徑r對湍流強(qiáng)度I影響較小。
圖12 湍流強(qiáng)度云圖
(1)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對進(jìn)氣系統(tǒng)流場進(jìn)行數(shù)值仿真,并與試驗(yàn)進(jìn)行對比,驗(yàn)證了該數(shù)值方法的可行性。
(2)插入角度α和插入深度h對速度偏差vd影響明顯,且在高流量區(qū),速度偏差vd相對更小,存在最佳插入角度和最佳插入深度區(qū)間,使得不同流量下的速度偏差均較小。湍流強(qiáng)度I受其影響較小。
(3)軸向距離h對速度偏差影響極大,越靠近空氣濾清器上殼體出口處,其入口處速度偏差越大,最大與最小速度偏差vd之差為42.51%。且湍流強(qiáng)度I隨軸向距離增加而呈增大趨勢。
(4)圓角半徑r對速度偏差vd影響較大,且并不是一味增大r就可減小速度偏差vd,存在最佳圓角半徑使得速度偏差vd在不同流量下均為最小。湍流強(qiáng)度I受其影響較小。