汽车空气进气管道模型的通风性能优化研究

张立

摘 要：汽车空气进气管道的结构对空气进气量影响很大，文章以某品牌汽车的空气进气管道模型为研究对象，采用有限体积法离散滤波后的N-S方程和标准κ-ε湍流模型的方法进行定常数值模拟，模拟结果表明整流罩和挡板的引入改善了进气管道内部的流动状况，有助于空气通风性能的提升。研究结果将对汽车进气管道的结构优化设计提供依据。

关键词：进气;管道;性能;优化

中图分类号：U462.1  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2019）23-107-03

Research on Ventilation Performance Optimization of Automotive Air

Intake Pipe Model

Zhang Li

（Department of Application & Engineering， Zhejiang Economic & Trade Polytechnical， Zhejiang Hangzhou 310018）

Abstract： The structure of the air intake duct of the automotive has a great influence on the amount of air ventilation， this paper takes the air intake duct model of a brand automobile as the research object， and uses the finite volume method to filter the NS equation and the standard κ-ε turbulence model. The simulation results show that the introduction of the fairing and baffle improves the flow inside the intake pipe and contributes to the improvement of air ventilation performance. The results will provide a basis for the structural optimization design of the automotive intake pipe.

Keywords： Intake; Pipeline; Performance; Optimization

CLC NO.： U462.1  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2019）23-107-03

1 前言

汽車进气管道作为汽车空气供给系统的有机组成部分，主要承担了控制空气通风进气量的职能。现代汽车一般将空气流量计、空气进气压力传感器等电器元件放置在汽车进气管道内部，以检测进入管道的空气流量以及空气压力。为了满足测量要求，就要求汽车进气管道的空气内部流动比较平稳，以避免紊流对电器元件测量精度的影响。文献[1]设计了一种被动式涡流翼片，应用于汽车进气通道中，在常用的节气门开度范围内以较小的流量损失得到了大幅度的涡流比提升。文献[2]应用三维/一维耦合技术设计合理的进气消声器，可为今后消声器的设计与改进提供参考。文献[3]主要通过实验的方法对某国产车型在实际使用过程中出现的进气噪声过大问题对其进气系统进行了改进，在满足不改动进气系统外观和在整车上的布置这一前提下，通过使用新型可渗透性材质编织内插管降低了全转速段的进气噪声。本文以某国产品牌汽车的进气管道为研究原型，在此基础上有两处结构改进：其一是在管道入口附近增加了挡板，以改变气流的入流方向;其二是在管道内部的模组入口增加了蜂窝过滤网，以稳定气流方向。在对管道结构进行适当简化后进行仿真计算，制作网格，如图1所示。整个管道流场区域分为四个区，分别是入口区、扩散区、模组整流区以及出口区。考虑到模组整流区是我们关注的重点，在网格划分上，模组整流区网格最密集，最小网格为0.8mm，其他区域的最小网格在1-3mm之间。测试的流量点有4个，分别是0.12、0.6、1.2、2.4m3/h。

图1  管道结构及网格

2仿真结果分析

2.1 整流罩的影响

图2显示了输入流量为6m3/h时管道内部流场在有无整流罩结构的速度云图。从图中可以发现，在进气管道模组整流区域入口增加蜂窝过滤网有利于模组整流区气流速度的均匀分布。当模组整流区域没有整流罩时，气流速度呈现模组整流区中心侧速度比两端速度要大的特点，在安装整流罩后，气流在模组整流区分布都比较均匀，有利于电器元件的测量。因此，安装整流罩对汽车进气管道内部流场的稳定是有帮助的。

（a）无整流罩            （b）有整流罩

图2  输入流量为6m3/h时的速度云图

2.2 挡板的影响分析

图3显示了输入流量为6m3/h时汽车进气管道在有无挡板情况下的速度流线图。从图中可知，在单侧输入气流的同等条件下，挡板的存在能够影响气流的涡流分布，改变气流的运动方向。在图3（b）中，输入气流还能够通过挡板与管道之间的间隙流动。考虑在后期改进过程中将这种间隙封锁，再次改变气流的流动方向，让气流先从扩散区流动，然后再进入整流区。

（a）无挡板                （b）有挡板

图3  输入流量为6m3/h时的速度流线图

2.3 不同流量的管道内部流场分布

图4显示了汽车进气管道在不同流量下的速度云图分布情况。从图中可以看出，无论是哪个流量点，在模组整流区的速度分布是比较均匀的，流场分布的一致性也比较好。气流在模组整流区分布的主要差异体现在整流罩附近，比如当流量为2.4m3/h时，气流在整流罩中心的速度要少于两端。还有一点就是当流量为0.12 m3/h时，风机电控模块所处管道的整个流场仿真不收敛，这表明在该流量点时汽车进气管道内部流场是不具有稳态的，具有多变性。

（a）0.12                    （b）0.6

（c）1.2                  （d）2.4

图4  不同流量下的速度云图分布（m3/h）

图5显示了汽车进气管道在两种流量下的压力云图分布情况。从图中可知，无论是哪个流量点，气流在模组整流区的压力最低，这有利于气流通过挤压的方式从汽车进气管道的扩散区运动到整流区。只是由于一部分气流直接从入口通过挡板缝隙贯入整流区，这将影响到模组整流区的气流挤压效果，会出现各整流片流道之间气流速度有快有慢，如图5（b）所示，在模组整流区的两侧出现了很明显的低压区，这将导致两侧的气流流动速度明显要快于其他区域。

（a）4.2                     （b）6

圖5  不同流量下的压力云图分布（m3/h）

图6显示了汽车进气管道在不同流量下的速度流线图分布情况。从图中可知，无论在哪个流量点，模组整流区的气流主要来自两部分，其一是直接从进口区通过挡板间隙直接贯入的气流，主要集中在整流区靠近挡板的一侧;其二是通过管道扩散区挤压过来的气流，主要集中在整流区远离挡板的一侧。气流在模组整流区内部没有发现涡流，仅仅流量点为2.4m3/h时气流在整流罩附近出现了涡流，但经过整流片以后，气流迅速稳定了下来。

（a）0.12                   （b）0.6

（c）1.2                   （d）2.4

图6  不同流量下的速度流线图分布（m3/h）

3 结论

通过对比分析汽车进气管道的内部结构变化引起的通风性能差异，得到如：

（1）气流在汽车进气管道模组整流区的流场稳定性是得到保障的，在整流区的气流没有发现涡流，气流分布比较均匀。

（2）小流量的不收敛代表着小流量时气流无法在整个流场建立稳定的流场，其流场形态变化无常，影响测量的线性度。大流量情况下气流流场稳定，流场形态也比较一致。

（3）整流罩以及挡板的存在有利于模组整流区的流场稳态的形成。

参考文献

[1] 李良波.一种汽车进气系统的被动式涡流翼片研究[D].重庆大学硕士学位论文，2012.

[2] 李金库.基于三维/一维偶合技术的汽车进气谐振器研究[D].东北林业大学博士学位论文，2102.

[3] 钱欣怡.进气系统声学性能的实验研究及其优化[D].浙江大学硕士学位论文，2012.