基于CFD的重型车进气扁管仿真分析及结构优化

刘艳芬，段增旭，李帅，焦延，付召辉

（陕西重型汽车股份有限公司，陕西 西安 710200）

前言

随着重型商用卡车在快递运输、危化品运输、日用工业品运输等行业的广泛使用，国内外各大重卡企业的竞争日趋激烈。为了赢得市场，必须满足客户的特殊需求，尤其是车辆燃油经济性、运输时效性。其中低油耗是客户购车关注的重中之重。

进气系统负责给发动机提供清洁干燥的气体，进而改善发动机燃烧和排放性能。进气扁管位于进气气流的第一道关卡，其性能的优劣直接关系到整个进气系统性能的好坏。进气扁管的粗滤结构在一定程度上虽然能延长客户的更换滤芯周期，却会使阻力大大增大，使油耗上升。由此可见，很有必要研究旋流管对进气阻力的影响效果[1]。

进气扁管通常固定在驾驶室后围，不仅要适应驾驶室整体造型还要有足够的压筋增加强度。加工工艺多以吹塑为主。由于进气扁管结构复杂，外形极其不规则，通过理论计算的方法描述进气扁管性能非常困难，且精度低。所以对进气扁管性能的研究多以试验研究为主[2]。随着计算机技术的发展，数值模拟也得到广泛的应用。计算流体力学 CFD（Computa-tional Fluid Dynamics）得到了越来越广泛的应用。通过CFD这种虚拟设计手段对进气扁管进行研究，可以获取大量的气体流动的数据，利用计算数据对设计方法进行评价，可以大大减少开发周期和费用。

本文对是否带直通旋流管式预滤器结构的进气扁管进行研究对比，分析旋流管对进气阻力的影响，为进气系统匹配选用提供参考；接下来建立两种防水结构进气扁管构型，将扁管内部流场可视化，得到数据为设计优化提供参考。

1 CFD分析前准备

基于Star CCM+流体力学计算方法，对几何模型、分析模型创建、网格划分和边界条件分别介绍如下。

1.1 几何模型

对分析对象结构的简要说明。

图1 带直通旋流管式预滤器进气扁管

如图1所示，带直通旋流管的进气扁管由进口防水格栅、直通式旋流管、旋流管支撑板、扁管本体及排尘袋组成。

图2 带防水结构的进气扁管

如图2所示，带防水结构的进气扁管主要由进口格栅、防水导向筋、扁管本体及排尘袋组成。

1.2 分析模型

流体分析模型是通过提取流体流经区域得到的实体模型。在CATIA三维设计软件中利用几何体的拓扑计算减掉中间筋板等特征，并简化不必要的圆角和尖角。为网格划分做好准备。

1.3 网格划分

处理好的模型导入Hypermesh中划分三角形面网格，在Star CCM+中生成六面体网格。网格数量适中，不仅保证计算精度也提高计算效率。

1.4 边界条件

设置物理学模型，为仿真计算做以下假设：

1）进气系统工作时，气体来源于外界大气，颗粒和气体的混合物看作是一种均匀介质，它们之间没有相对滑移；即进气扁管所有壁面均为无滑移速度边界条件

2）流动过程中密度不变，是不可压缩流体；即介质为静态的不可压缩理想气体，层流状态，K-Epsilon 湍流模型。

3）工作过程中温度不变，是等温过程。

模拟计算的边界条件为：

1）空气密度为1.225kg/m3，动力粘度系数为1.7894×10-5N·s/m2，进气温度为300K，环境大气压力101325Pa。

2）进气扁管进口类型为mass flow inlet 质量流量，流量值：0.733kg/s（额定流量2200m³/h）

3）进气扁管出口类型选择为pressure outlet压力出口。

4）设定迭代最大步骤10000（收敛为止）。

2 有/无旋流管进气扁管模拟计算结果

2.1 带旋流管进气扁管分析结果

残留值呈现收敛状态，可结束迭代运行过程，得到计算结果。对带旋流管进气扁管总成进行CFD分析，进气扁管内部为负压区，进出口压降1.6kPa。

图3 带旋流管进气扁管计算结果

可以看出，压力损失主要集中在旋流管处。流速较均匀，在进口下截面水平面处有最小截面积，流速稍大。

2.2 不带旋流管进气扁管总成分析结果

对不带旋流管进气扁管总成进行CFD分析，进气扁管内部为负压区，进出口压降87Pa。压力分布较为均匀，无突变区域。

图4 不带旋流管进气扁管计算结果

可以看出，去掉旋流管后压降大大降低，阻力分布均匀，几乎没有阻力下降。

3 带防水结构进气扁管模拟计算结果

3.1 防水结构1进气扁管总成分析结果

对结构1防水结构进气扁管总成进行CFD分析，进气扁管内部为负压区，进出口压降1.37kPa。压力分布很不均匀，在进气口下边界截面处有压力突变。

图5 防水结构1进气扁管计算结果

可以看出，较带旋流管的进气扁管压降较小，但此结构存在明显影响压降的结构特征，防水筋板Y向尺寸大，造成气流有效通过最小截面积变小，引起几何突变，阻力增加很明显，且流速也随之突增。结构明显不合理，需要进一步改进。

3.2 防水结构2进气扁管总成分析结果

对防水结构2进气扁管总成进行CFD分析，进气扁管内部为负压区，进出口压降498Pa。压力分布较为均匀。

图6 防水结构2进气扁管计算结果

结构2较结构1防水导向筋结构更改，见图2。防水导向筋由上向下依次变窄，从而增大气流流经的最小截面积。从云图可以看出结构2较结构1压降有明显的下降，气流较结构1更加均匀。

从压降角度来讲，结构2远远优于结构1，接下来对结构2的防水性能进行分析，是否满足雨水分离效率≥65%的要求（试验可参考SAE J2554）。

4 雨水分离效率计算

结构2相对于去旋流结构增加防水导向筋，接下来对结构2防水结构进气扁管总成防水效果进行分析计算。

4.1 边界条件设置

雨滴和气流方向如图7所示：

图7 雨滴和气流方向示意图

其中：V1——雨滴下落速度

V2——气流方向

表1 雨滴速度

表2 雨滴分布谱

4.2 仿真计算结果

雨水分离效率的计算公式：

经计算：雨水总分离效率为 90.6%。针对不同粒径和不同雨强情况下的雨水分离效率见下表：

表3 不同粒径的雨水分离率

表4 不同雨强情况下的雨水分离效率

由此可见：雨滴粒径越小，分离效率越低；不同雨强下的分离效率为：大雨＞中雨＞小雨。所以在小雨的情况下，水分离效率最低。

计算得到不同粒径雨滴运动轨迹的云图如下：

图8 不同粒径雨滴计算结果

由图8云图可以看出：结构2整体流场比较顺畅，没有出现严重涡流区域。

5 结论

通过计算分析，可以得到四种结构进气扁管的压降，见下表。

表5 四种进气扁管压降计算结果

其中带旋流管预滤结构的进气扁管压降最大，较去掉旋流管预滤结构阻力增加1.513kPa，可以近似认为压降全部来源于旋流管预滤结构。据试验数据表明，进气阻力每增加1kPa，油耗约增加 1%。根据精准个性化设计原则，对运行工况较好，油耗要求低的车辆建议选用不带旋流管粗滤功能的进气扁管。

防水结构的进气扁管：结构 2压降较结构 1压降下降0.872kPa，降低175%，并且压力分布较为均匀，不存在突变区域。结构2结构较合理；

对防水结构2进气扁管做进一步的雨水分离效率计算，得到总分离效率为90.6%，大于设计要求的65%，满足要求。雨滴粒径越小，雨越小分离效率越低。因此车辆在小雨环境中长久运行会进入较多的雨水，建议司机加强检查空滤器滤芯情况。

由此可见，进气扁管带旋流管预滤结构对于以清洁沥青路面为主，对油耗要求高的物流重卡而言并不一定是最优方案。而在设计前期对结构进行有限元分析可及时发现不合理结构并进行改善，最终得到满意的结果：既保证防水性能也降低阻力。从而大大缩短设计周期。

[1] 杨志刚,张文博,何文军等.重型卡车进气扁管仿真及性能分析[J].机械研究与应用. 2015(3):24-29.

[2] 李虎强,褚超美,凌建群.基于CFD的柴油机进气性能仿真研究[J].内燃机工程,2011.32（5）：88-92.