基于Star-CCM+重型车进气系统仿真分析

梁江波 马凤军 谢 玓 邵林

1 前言

重型车进气系统主要用于控制空气进入燃烧室，其功能是使更多的冷却空气进入发动机燃烧室并充分燃烧，以获得更清洁的排放及更大的功率，同时还要过滤空气中的沙尘，保证进入气缸的空气清洁以改善燃烧和排放性能[1]。

进气系统的性能影响着发动机和整车性能，不合理的进气系统设计导致进气阻力较大，发动机燃油经济性变差[2]。本文对空滤器部分按Star-CCM+多孔Baffle处理，对进气系统进行了流体动力学仿真分析，得出额定工况下进气系统流场的分布和不同工况下的进气阻力及空滤阻力，为设计选型提供了理论参考，并对进气系统局部结构提出一些优化建议，得到进气系统静压与入口流量的关系式，最后通过将空滤器仿真结果与试验结果比较，进一步验证了仿真结果的准确性。

2 进气系统网格模型

某重型车进气系统包括进气扁管、软管1、进气连接管1、进气连接管2、空滤器及增压器进气管等，如图1所示。表1为空滤器部分不同空气流量下对应流动阻力试验值。

表1 空滤器阻力特性

在Hyperworks11.0→Engineering Solutins11.0-CFD中对进气系统全部管道内腔划分边界层网格，边界层设置为5层，增长比为1.2，第一层厚度为0.2mm，边界层采用三棱柱网格，其余采用全四面体非结构网格，网格数量为2.18×106左右。网格划分结果如图2、3所示[3]。

3 进气系统边界条件定义

材料参数如下：环境压力为1.01×105Pa，环境温度为20℃；入口条件如下：根据进气系统进气量，定义进气系统入口速度；出口压力为静压。空滤器特性以多孔Baffle进行模拟。

根据空滤出口处速度及实测空滤阻力，应用最小二乘法对空滤的阻力特性进行曲线拟合，得到曲线方程，如图4所示。

结合Star-CCM+中，多孔Baffle流速和压力损失的关系△P=ραV2+ ρβV及进气系统空滤部分实际，最终确定合理的阻力系数α及β值。式中，△P为压力损失，ρ为密度，V为速度，α、β为阻力系数。

4 仿真结果及分析

图5～11为额定工况下，入口空气流量为2200 m3/h时，进气系统仿真计算结果。由云图可以看出，进气扁管内部存在较多区域的涡流，局部结构需要进一步优化，可考虑在图示位置增加导流板或改进结构，如图7、8中红线所示。

由云图可以看出，在管子拐角处存在不同程度的流动分离及低压区，建议在进气连接管1及增压器进气管拐角处采用较大半径的圆弧过渡，使速度分布趋于均匀，减少流动分离。圆弧过渡如图9～11中红线所示。

额定功率工况下，空气流量为2200 m3/h时进气系统各部分压损结果如表2所示。

表2 额定功率工况下进气系统各部分压损结果

额定功率工况下，进气系统的总压损失为7.27 kPa，进气扁管的总压损失占整个系统的47.92%。由于进气扁管结构复杂，压降变化大有多方原因，查看进气扁管的压力梯度分布，可以看出压力变化较大的部位在小进气管和进气系统主腔道联接的小凸台部位。由于空滤器的压降是由其自身空滤特性引起，增压器进气管弯管附近压力梯度变化较大，其自身结构管道截面小，则转弯角度大是造成压降大的主要原因。

5 进气系统不同流量计算结果

采用与前文相同的计算方法，设置不同的入口速度，计算进气系统在不同入口速度条件下的系统静压压降、系统总压压降及空滤器压降，如表3所示。

表3 进气系统不同流量压损计算结果

由表3计算结果可知，采用最小二乘法分别对系统静压压降流量、系统总压压降流量、空滤器仿真压降－流量关系曲线进行拟合，得到进气系统静压与入口流量的关系式为：△P=0.002Q2+0.396 9Q；进气系统总压与入口流量的关系式为：△P=0.001 3Q2+0.368 3Q 。应用此公式便可进行任意流量下进气阻力的计算。进气系统入口流量与系统压损拟合曲线如图12所示。

6 空滤器压降仿真与实验值比较

由表4空滤器阻力仿真与实验值比较可以看出，仿真空滤器压降与二次多项式理论计算空滤器压降相当接近，仿真与理论差值较小，仿真计算最大误差为5.99%，试验最大误差为8.07%，将仿真所得空滤器流量与阻力关系与试验值进行对比分析，由图13可以看出，在空滤器正常工作范围内，仿真结果和试验结果有很好的一致性，表明多孔Baffle边界设置的阻力系数比较符合实际。

表4 空滤器阻力仿真与实验值比较

7 结语

借助Star -CCM+软件对某重型车进气系统进行了流体动力学仿真分析，得到了额定工况下流场的分布和不同工况下的进气阻力及空滤阻力。对进气系统进气扁管、进气连接管及增压器进气管提出改进建议。计算得到进气系统不同入口流量与进气阻力关系式，此关系式可方便地进行任意流量下的进气阻力计算。由空滤器仿真结果与试验结果很好的一致性，进一步验证了仿真结果的准确性。从仿真的角度，也说明了将空滤器部分以Star -CCM+多孔介质Baffle边界处理在仿真分析中是有效的， 在仿真分析中，为空滤器的简化处理给出了一种新方法。

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2] 钱耀义,李云清.进气系统的简化数学模型与参数的优化程序[J].内燃机学报,1988(3):258-264.

[3] 李楚琳.HyperWorks分析应用实例[M].北京:机械工业出版社,2008.