基于Fluent进气系统流场数值模拟与结构优化

陈先旺

Chen Xianwang

（重庆交通大学机电与汽车工程学院，重庆 400074）

0 引 言

进气系统的作用是给发动机提供尽可能均匀、洁净的空气。进气系统的阻力过大或流动不均匀会对发动机进气质量产生严重影响，进而影响发动机各项性能充分发挥。同时进气阻力过大易造成系统内部真空度加大，当密封条件不能满足时，未经过滤的空气会从各接口被吸入气缸，造成气缸磨损，缩短气缸寿命[1]。

很多汽车厂在设计发动机进气系统时，往往根据经验公式确定相应的结构参数，所设计的进气系统不能很好地满足发动机要求。文中以某企业4A91S发动机为研究对象，建立进气系统模型，在 Fluent中对该进气系统进行三维流体分析，以进气系统流场速度分布和压力云图为基础，对比改进前后进气系统进气阻力与流动均匀性，对进气系统结构进行优化，提出改进措施。

1 进气系统结构模型

利用三维软件Catia建立进气系统三维模型，如图1所示。该进气系统由进气管、空气滤清器、出气管等组成。进出气管各有一段波纹管，主要是便于进气系统在发动机舱内安装和减小结构振动引起的噪声辐射。

采用前处理软件 ICEM 建立进气系统流道三维网格，计算区域网格模型如图 2所示。为使Fluent处理更方便、易收敛，网格划分主要采用六面体，在不适宜采用六面体网格的部位（如波纹管、结构倒角等部位），ICEM会自动生成非结构化四面体和锥形网格。划分的总网格数为171429。

2 建立分析模型

在建立分析模型之前，确定以下假设条件：

1）气体流动过程中温度不变，为等温过程。

2）假设空气在流动过程中密度不变，为不可压缩流体。

3）不考虑气体中存在的微尘颗粒，将两相流简化为具有平均流体特性的单相流。

4）将空气滤清器滤芯作为多孔介质处理，流体的物性与多孔介质的分布情况是各向同性，且多孔介质骨架固定不动且不变形。

2.1 湍流方程

发动机提供的最大空气流量为300 m3/h。根据公式

式中，空气密度ρ=1.225，kg/m3；空气粘度μ=1.7894×10-5，N·s/m2；进气管直径d=70，mm；根据最大空气流量计算出进气流速v =21.65，m/s；得出雷诺数为

可知流动为湍流流动。

Fluent常用的湍流模型包括 Spalart-Allmaras模型、标准RNG和Realizable k-ε模型、雷诺压力模型、大型艾迪仿真模型等，文中采用Realizable k-ε模型[6]。

2.2 边界条件

操作条件：环境压力为1.01×105，Pa；环境温度为T=300，K；空气密度ρ=1.225，kg/m3；空气粘度μ=1.7894×10-5，N·s/m2。

入口条件：根据发动机参数确定空气流量为300 m3/h，得出入口空气速度为21.65 m/s。

出口条件：出气管出口设为outflow出口。

壁面条件：设为无滑移壁面条件。

多孔介质区：在处理空气滤清器滤芯时，采用 Fluent中多孔介质模型。该模型适用范围非常广泛，包括填充床、过滤纸、多孔板等，其本质就是在定义为多孔介质的区域，结合一个根据经验假设为主的流动阻力，在动量方程上叠加一个动量源项。

式（2）表明，多孔介质的压力损失分为 2个部分，第1部分是粘性项，与气体密度ρ、粘度μ有关，与速度v成正比；第2部分为惯性项，与速度v的2次方成正比。粘性项是气流通过多孔介质时的渗透损失，惯性项是气流通过多孔介质时的惯性损失，m1为渗透性系数，m2为惯性阻力系数。根据空滤器厂家提供的数据，绘出一个速度与压降的二次曲线Δp＝33.7 v2+1.28 v。对应式（2）中系数，得到本模型的粘性阻力系数和惯性阻力系数，并按厂家给定值设定多孔介质的开孔率。

3 结构分析与优化

3.1 结构分析

根据建立的几何模型和数学模型，在 Fluent中进行三维数值模拟，得出该进气系统的速度矢量图（如图3）及压力云图（如图4）。

从图 3可知，当进气管截面逐渐变小，空气流速开始逐渐变大，进入空气滤清器后速度下降，这是由截面积大比例扩张导致。随着空气通过中间滤芯，进入出气管，速度达到最大值。空气在进出管的波纹管处会产生局部漩涡，在空滤内部产生大尺度涡流。在进气系统入口处产生较大的压力，这是由于空气流动方向遇到管壁发生改变而产生。空滤出口处及出气管大拐角处出现局部较大负压，会产生气蚀现象，造成局部的冲击，形成振动和噪声。

3.2 结构优化

对初始进气系统进行流场分析，为改善其流动的均匀性，降低其进气阻力，对该进气系统作局部结构改进。改进后的进气系统如图 5所示。空滤进气口轴线与该面成一夹角，使气体流向滤芯时更加均匀。同理，使出气管轴线与滤芯平面也成一定夹角，而不是平行，以降低气体的流动阻力。

采用Fluent软件对改进后的进气系统进行流场分析，通过对进气口、出气口截面进行压力面积分析，可以得出整个进气系统的进气压力降。优化改进前后系统的压力降如表1所示。

表1 优化前后压力降比较

从表 1可知，改进后的进气系统压差比原系统减小2229.4 Pa，进气阻力下降20.62%。

4 结 论

1）建立合理的 CFD分析模型，能够较为准确地模拟出空气在该进气系统中的流动特性，三维流动能直观地反映气体在管道、空腔内的流动，是一种有效可行的分析方法。

2）用多孔介质模型计算空气通过滤清器滤芯过程，较为符合实际情形。

3）对流场流动均匀性和流动阻力进行分析，并优化相应的结构，克服传统设计中的盲目性与局限性，对汽车发动机进气系统的设计及优化具有现实的指导意义。

[1]王治林，成凯，林源.基于 CFD 的车辆进气系统流场仿真与分析[J].工程设计学报，2011（8）：265-269.

[2]蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用[M].北京：科学出版社，2004.

[3]张也影.流体力学[M].北京：高等教育出版社，1998.

[4]朱廉洁，季振林.汽车空气滤清器声学性能数值计算及分析[J].噪声与振动控制，2007（2）：55-58.

[5]Fluent7 User’s Guide[R].Fluent Inc，2014.

[6]李佳，刘震涛，刘忠民，等.空气滤清器流动过程仿真与试验分析[J].浙江大学学报（工学），2012，46（2）：327-332.

[7]Luecku T，Fissan H.The Prediction of Filtration Performance of High Efficiency Gas Filter Elements [J].Chemical Engineering Science，1996，51（8）：1199-1208.

[8]Huurdeman B，Banzhaf H.CFD Simulation of Flows in Air Cleaners with Transient Dust Loading of Filter Element[C].SAE 2006 World Congress，2006：429-438.