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)

0 引言

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。

1 模型建立

1.1 幾何模型

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)。

1.2 仿真模型

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]。

2 仿真方法驗(yàn)證

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

3 結(jié)果與分析

3.1 插入角度的影響

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

3.2 插入深度的影響

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

3.3 不同軸向距離的影響

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

3.4 不同圓角半徑的影響

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

4 結(jié)論

(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。