李 楊 高宏亮 倪小南

（大長(zhǎng)江集團(tuán)有限公司研發(fā)中心 廣東 江門 529000）

引言

傳統(tǒng)的空濾器結(jié)構(gòu)開發(fā)流程是采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加上反復(fù)試驗(yàn)，多次修正的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)開發(fā)中存在較大的盲目性和局限性，不僅設(shè)計(jì)開發(fā)周期長(zhǎng)、耗費(fèi)大，而且較難得到理想的方案。

近年來，隨著商業(yè)軟件的普及，很多學(xué)者和工程師開始采用CFD 軟件進(jìn)行空濾器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如趙樹恩等[1]和曾洪濤等[2]利用FLUENT 軟件，通過對(duì)空濾器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來改善空濾器的阻力損失和提高濾芯的利用率；賈彥龍等[3]利用STAR-CD 軟件，通過改變空濾器進(jìn)氣入口的角度使得渦流大小和位置改變從而降低空濾器的阻力損失。唐剛志等[4]通過試驗(yàn)獲得空濾器濾芯的阻力特性參數(shù)，在此基礎(chǔ)上開展了空濾器總成阻力成分CFD 計(jì)算，并提出了降低阻力損失改進(jìn)措施。此外，空濾器除了進(jìn)氣和空氣過濾外，也是影響進(jìn)氣聲品質(zhì)的重要聲學(xué)元件，成為最近研究的熱點(diǎn)，例如朱廉潔等[5]指出濾紙的考慮與否對(duì)空濾器中高頻消聲性能有很大的影響。曹培元等[6]利用聲學(xué)軟件Sysnoise 對(duì)空濾器總成進(jìn)行聲學(xué)性能計(jì)算，再結(jié)合FLUENT 壓降分析，最終使得傳遞損失和壓力損失得到改善。雖然空濾器在壓降分析、濾芯的利用率以及聲學(xué)改善上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是絕大多數(shù)基本上都是針對(duì)空濾器自身進(jìn)行流場(chǎng)和聲學(xué)研究，而對(duì)于車輛用空濾器，空濾器作為進(jìn)氣系統(tǒng)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元，除了考慮自身的各種特性外，還需要重點(diǎn)關(guān)注其系統(tǒng)性，即在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)系統(tǒng)中考慮空濾器的聲學(xué)及進(jìn)氣性能等。為此，本文基于里卡多專業(yè)軟件WAVE 和VECTIS，綜合系統(tǒng)分析和詳細(xì)結(jié)構(gòu)分析來探討空濾器的設(shè)計(jì)開發(fā)。

本文基于WAVE 軟件建立了發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型，并根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)提出了空濾器概念設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)：包含了空濾器總?cè)莘e、空濾器進(jìn)氣管規(guī)格以及出氣管規(guī)格。此外，一維系統(tǒng)性研究進(jìn)氣脈動(dòng)性，通過計(jì)算分析獲取了每個(gè)出氣管進(jìn)氣流量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律；同時(shí)，基于一維系統(tǒng)分析結(jié)果，對(duì)空濾器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維CFD 分析。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 一維性能計(jì)算

如果把發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)看作為各個(gè)零部件的串并聯(lián)單元，那么空濾器就是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中一個(gè)單元節(jié)點(diǎn)。它在進(jìn)氣系統(tǒng)中，除了完成發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣和過濾空氣外，還是重要的消聲元件，空濾器本體和進(jìn)出管路，構(gòu)建了兩個(gè)聲學(xué)子系統(tǒng)。其一，構(gòu)建了一端封閉和一端開口的管路聲學(xué)系統(tǒng)：即空濾器本體、空濾器出氣管到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣門的管路系統(tǒng)；另一個(gè)管路聲學(xué)系統(tǒng)是兩端開口的管路聲學(xué)系統(tǒng)：即大氣環(huán)境、空濾器本體和空濾器進(jìn)氣系統(tǒng)。這里空濾器本體在聲學(xué)系統(tǒng)中屬于膨脹腔室。

此外，空濾器在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中，作為一個(gè)重要的單元節(jié)點(diǎn)，制約著發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率。因此，空濾器在概念設(shè)計(jì)初期，必須考慮它的系統(tǒng)性，即它與發(fā)動(dòng)機(jī)及整車進(jìn)氣系統(tǒng)的匹配關(guān)系。

在空濾器概念設(shè)計(jì)階段，可以將空濾器簡(jiǎn)化為一個(gè)進(jìn)氣管、膨脹腔室和一個(gè)出氣管。針對(duì)干凈腔和污染腔的容積比例以及詳細(xì)結(jié)構(gòu)等細(xì)節(jié)，在這個(gè)階段可以不做考慮。但是需要考慮濾芯的布置方向、濾芯的材質(zhì)類型以及布置濾芯的窗口等概念選型。

基于一維熱力學(xué)WAVE 計(jì)算模型，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)要求，優(yōu)化出空濾器總?cè)莘e、空濾器進(jìn)氣管長(zhǎng)度及隨長(zhǎng)度變化的直徑、空濾器出氣管長(zhǎng)度及隨長(zhǎng)度變化的直徑，作為空濾器詳細(xì)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。同時(shí)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)性能計(jì)算模型得到了左右缸分別對(duì)應(yīng)的空濾器左右出氣管的瞬時(shí)流量，如圖1所示。左右出氣管的最大流量相隔接近180°曲軸轉(zhuǎn)角。該一維系統(tǒng)分析結(jié)果將作為空濾器三維CFD 計(jì)算的邊界條件。

圖1 空濾器出氣管瞬時(shí)流量

1.2 空濾器流場(chǎng)CFD 計(jì)算

空濾器的概念設(shè)計(jì)是整個(gè)空濾器設(shè)計(jì)階段重要的節(jié)點(diǎn)。概念設(shè)計(jì)主要包括了空氣濾的總?cè)莘e、空濾器進(jìn)氣系統(tǒng)的布置和空濾器出氣管路的布置等以及在整車總體布置等。概念設(shè)計(jì)鎖定的參數(shù)，作為空濾器詳細(xì)設(shè)計(jì)的輸入條件，當(dāng)詳細(xì)的3D 設(shè)計(jì)完成，需要進(jìn)行CFD 分析，其目的是評(píng)估空濾器總成流動(dòng)狀態(tài)，挖掘減小流動(dòng)阻力損失的潛力；同時(shí)評(píng)估濾芯的利用率，為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供解決方案。

1.2.1 幾何模型

一維性能計(jì)算完成后，進(jìn)行空濾器總成的詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)后的空濾器干凈腔一側(cè)的狀態(tài)，如圖2 所示，包含了右管和左管、濾芯窗口位置以及空濾器進(jìn)氣口。

圖2 空濾器3D 模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是數(shù)據(jù)模擬前處理的關(guān)鍵一步，劃分質(zhì)量的好會(huì)直接決定了數(shù)值模擬計(jì)算的精度以及計(jì)算的時(shí)間和收斂的速度。本文以里卡多VECTIS 軟件自帶前處理PHASE1 平臺(tái)，進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分設(shè)置，如圖3a 所示，為了準(zhǔn)確模擬通過進(jìn)出氣管處的流動(dòng)，在空濾器進(jìn)氣管和出氣管壁面進(jìn)行了網(wǎng)格加密，如圖3b 所示。

圖3 空濾器網(wǎng)格劃分

為了捕捉出氣管喇叭入口的流動(dòng)，在喇叭口壁面和喇叭口周圍網(wǎng)格進(jìn)行了深度加密（Depth=3.blending distance=2）的設(shè)置，另外在進(jìn)出氣管管口靠近空濾器殼體壁面的流動(dòng)也較為復(fù)雜，也進(jìn)行了DEEP=2，F(xiàn)ORCE=2 加密塊的設(shè)置。

1.2.3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

數(shù)學(xué)模型：求解的方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程、湍流模型以及能量方程。因?yàn)楸疚挠?jì)算采用商業(yè)軟件，而非自編程序，上述詳細(xì)的數(shù)學(xué)模型就不再逐一列出。

本文基于瞬態(tài)計(jì)算，出口流量采用了WAVE 性能計(jì)算模型中輸出的結(jié)果，流量是基于曲軸轉(zhuǎn)角變化的。

邊界條件：

1）進(jìn)口邊界：靜壓100 kPa；2）出口邊界：流量；3）環(huán)境溫度：25°；4）壁面溫度：均設(shè)置為絕熱；5）濾芯采用多孔介質(zhì)處理，濾芯的阻力特性，采用流量試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果。

2 計(jì)算結(jié)果

首先對(duì)空濾器左出氣管及空濾器腔室內(nèi)其它流動(dòng)狀態(tài)分析，選取了570°CA 曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)刻，如圖4所示。從圖中流動(dòng)跡線可以看出：出氣管內(nèi)氣體流速是不均勻的，在沿管路周線方向上呈現(xiàn)不同的流速梯度，這主要是進(jìn)氣壓力波脈動(dòng)導(dǎo)致的。從圖可知：空濾器干凈腔內(nèi)氣體向出氣管內(nèi)流動(dòng)時(shí)，在出氣管的入口段產(chǎn)生一定流動(dòng)損失，為了降低該局部流動(dòng)損失，增加進(jìn)氣量，在空濾器的出氣管入口設(shè)計(jì)了一定規(guī)格的喇叭口。這是因?yàn)楣芸谶吔鐚有?yīng)而導(dǎo)致的實(shí)際主流氣體的流動(dòng)橫截面減小，從而降低氣體從腔室進(jìn)入管道的流量。引入喇叭口進(jìn)氣設(shè)計(jì)，可以大大降低管口的流動(dòng)損失，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量，在高轉(zhuǎn)速時(shí)表現(xiàn)更為突出。

圖4 左管流動(dòng)軌跡分布圖（570°CA）

為了更加清晰地表征出氣管入口喇叭的設(shè)計(jì)，提取了流速矢量橫截面圖，如圖5 所示?？梢钥闯觯簽榱嗽黾映鰵夤艿倪M(jìn)氣量，設(shè)計(jì)了喇叭口，但是通過CFD 計(jì)算發(fā)現(xiàn)：右管和左管喇叭口的間隔非常小，使得腔室內(nèi)的氣體需要通過二者的狹縫才能進(jìn)入出氣管內(nèi)，這樣就大大削弱了喇叭口設(shè)計(jì)的初衷。同時(shí)，喇叭口和空濾器殼體壁面的間隔也是非常小，最終導(dǎo)致從干凈腔內(nèi)流入出氣管內(nèi)的氣體集中在進(jìn)氣喇叭口1/2 半圓內(nèi)進(jìn)入，如圖6 所示，大部分氣體從靠近濾芯一側(cè)且周邊沒有其它部件遮擋進(jìn)入，而靠近壁面和右管的流速明顯降低，這樣雖然設(shè)計(jì)了喇叭口，但是由于喇叭口與周圍部件的間隙考慮不周全，就大大降低了出氣管的進(jìn)氣流通能力。

圖5 左管截面流速分布圖（570°CA）

圖6 右管流動(dòng)軌跡分布圖（650°CA）

因此，在設(shè)計(jì)出氣管喇叭口時(shí)，需要充分考慮進(jìn)氣喇叭口周圍部件和喇叭口最大邊緣的間隔以及同濾芯的相對(duì)位置關(guān)系，以保證喇叭口四周方向的氣體均能順利流入出氣管內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)最大的進(jìn)氣量，避免了流速滯區(qū)的產(chǎn)生。

空濾器出氣管的設(shè)計(jì)，需要考慮所搭載發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸數(shù)。針對(duì)本文研究的摩托車雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)，各氣缸有獨(dú)立的進(jìn)氣系統(tǒng)，兩支獨(dú)立的進(jìn)氣系統(tǒng)在空濾器干凈腔內(nèi)匯合。左缸對(duì)應(yīng)左出氣管，右缸對(duì)應(yīng)右出氣管，其中左缸定義為1 缸，右缸定義為2 缸，點(diǎn)火間隔是180°曲軸轉(zhuǎn)角。

為了說明左右出氣管壓力脈動(dòng)在空濾器干凈腔內(nèi)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，選取了曲軸轉(zhuǎn)角650°CA 時(shí)刻空濾器內(nèi)流場(chǎng)分布，如圖6 所示?？梢钥闯觯涸摃r(shí)刻右管的流動(dòng)狀態(tài)是正向進(jìn)氣過程，而左管流動(dòng)狀態(tài)是逆流狀態(tài)，即出氣管內(nèi)的氣體倒流進(jìn)入干凈腔內(nèi)，并同腔室內(nèi)的大部分氣體合并后再次進(jìn)入右管中。通過該時(shí)刻的各管流動(dòng)狀態(tài)，不難發(fā)現(xiàn)雙出氣管的空濾器會(huì)出現(xiàn)搶氣過程，這也會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)氣缸進(jìn)氣量不同，最終導(dǎo)致兩個(gè)氣缸平均有效壓力的不均勻性，甚至影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。通過CFD 分析，直觀地揭示了干凈腔內(nèi)進(jìn)氣干涉現(xiàn)象。為了解決這類問題，還是要追溯到進(jìn)氣脈動(dòng)效應(yīng)的產(chǎn)生和傳播規(guī)律。然而，影響進(jìn)氣脈動(dòng)效應(yīng)的主要因數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的長(zhǎng)度。考慮到節(jié)氣閥體和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管的可調(diào)空間很小，因此調(diào)節(jié)進(jìn)氣系統(tǒng)的長(zhǎng)度主要就集中在空濾器出氣管上。基于上述分析，可以將左右出氣管長(zhǎng)度進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，具體增加或減少多少，需要回歸到WAVE 性能計(jì)算。因此，通過一維和三維CFD 聯(lián)合分析，相互提供邊界條件，只有同時(shí)考慮空濾器自身特性以及在系統(tǒng)中的性能表現(xiàn)，才能設(shè)計(jì)出滿足要求的空濾器。

此外，同分析左管的方法相同，提取了右管進(jìn)口處流動(dòng)矢量圖，如圖7 所示。可以看出：干凈腔內(nèi)的氣體很順暢地進(jìn)入了右管中。雖然在喇叭口的周圍同樣存在左管，但是距離相對(duì)較遠(yuǎn)，不但不會(huì)影響腔室內(nèi)的氣體進(jìn)入出氣管，反而會(huì)起到一定的導(dǎo)流作用，最終表現(xiàn)為進(jìn)入右管內(nèi)氣體明顯增大，從圖7 b可以看出：喇叭口周圍的氣體從圓周3/4 處以高流速進(jìn)入右管中。至于喇叭口形狀的設(shè)計(jì)，同出氣管的直徑密切相關(guān)，其宗旨是通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的喇叭口將干凈腔內(nèi)的氣體順暢導(dǎo)入出氣管內(nèi)，從而降低局部阻力損失，增加出氣管的進(jìn)氣量，尤其是對(duì)于高速氣流，效果更加明顯。

圖7 右管截面流速分布圖（650°CA）

本文研究的空濾器左右管喇叭口靠近空濾器殼體壁面的距離太小，適當(dāng)增大距離，可以更好地利用喇叭口將干凈腔內(nèi)氣體導(dǎo)入到出氣管內(nèi)。

因此，在設(shè)計(jì)空濾器出氣管時(shí)，往往需要滿足其長(zhǎng)度要求，在空濾器總?cè)莘e有限的情況下，不得不使出氣管的入口端接近空濾器殼體的壁面。在這種情況下，就需要考慮兩個(gè)因素，一是出氣管入口軸線方向上距離壁面的尺寸，這個(gè)不能設(shè)計(jì)太小，一方面影響出氣管進(jìn)氣，另一方面影響聲學(xué)特性。這是因?yàn)樵谶M(jìn)氣脈動(dòng)效應(yīng)的作用下，進(jìn)入出氣管的氣體向干凈腔內(nèi)倒流，而且以周期性脈沖的形式出現(xiàn)。這時(shí)如果距離壁面太近，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生氣流周期性沖擊壁面的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致空濾器殼體產(chǎn)生輻射噪聲。第二還要考慮出氣管進(jìn)氣口圓周方向上與周圍部件或壁面的間隔，如果某一側(cè)間距太小，將會(huì)限制從這一側(cè)進(jìn)入出氣管的氣體流量，腔室內(nèi)的氣體只能繞向出氣管入口的正前方進(jìn)入出氣管，這樣出氣管進(jìn)入口的進(jìn)氣效率就會(huì)下降?？傊瑹o論從出氣管入口的圓周方向還是軸向上，都應(yīng)將空濾器出氣管入口布置于相對(duì)寬闊的區(qū)域內(nèi)。

3 結(jié)論

1）基于一維和三維的聯(lián)合仿真，既分析了空濾器在整個(gè)進(jìn)排氣網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所起的作用，又分析了空濾器本身的特性。因此，在設(shè)計(jì)空濾器時(shí)，必須考慮空濾器所在的工作環(huán)境，而且應(yīng)優(yōu)先考慮其系統(tǒng)特性；然后基于這一系統(tǒng)特性的要求，再進(jìn)行空濾器總成的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2）通過三維CFD 分析發(fā)現(xiàn)：在設(shè)計(jì)空濾器出氣管時(shí)，必須考慮出氣管入口布置在一個(gè)相對(duì)開放區(qū)域，避免布置在流速停滯區(qū)，而且喇叭口的設(shè)計(jì)是必要的。在滿足空濾器出氣管長(zhǎng)度要求和出氣管入口設(shè)計(jì)及其周邊間隙上需要折中考慮。

3）基于聯(lián)合仿真，進(jìn)氣脈動(dòng)效應(yīng)在三維CFD 詳細(xì)分析中直觀地顯示了左右缸對(duì)應(yīng)的出氣管搶氣現(xiàn)象。因此，針對(duì)雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)，空濾器出氣管的設(shè)計(jì)，需要考慮各氣缸的進(jìn)氣差異性。

4）通過聯(lián)合一維系統(tǒng)分析和詳細(xì)局部結(jié)構(gòu)三維分析，為空濾器基于目標(biāo)的正向自主設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。