重型卡车进气扁管仿真及性能分析*

杨志刚，张文博，何文军，王 磊

(陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西西安 710200)

0 引言

重型商用车辆发动机的进气都要经过进气扁管完成(空气在进入空滤器之前所经过的狭长管道，一般形状为前后尺寸小于左右尺寸，故俗称进气扁管，常见材料有铁质和塑料两种)。国内车型的进气道大部分固定于驾驶室后部，国外车型的进气道有布置在驾驶室下部。目前，具有粗滤功能的进气扁管基本上采用黑色塑料，由发动机的废气涡轮增压器提供动能进行吸气供给发动机。进气扁管的底端连接空气滤清器，主要作用是除灰防水。进气扁管为一级过滤，空滤为二级过滤，过滤后的干净空气经过涡轮增压器－中冷－发动机的进气管路进入到各个气缸和柴油燃烧。近些年随着发动机马力和排量的增加，燃烧所需的氧气也越多，进气量增加，导致从进气口进入的粉尘和雨滴也会相应增多，使空滤器工作负荷增加。当空滤器内的水和粉尘积聚造成进气阻力超限，进气系统报警，油耗上升，影响发动机性能。重型商用车辆空滤滤芯两星期就要更换新件，为了降低更换次数，减小使用成本，简单的进气扁管构型已不能满足性能要求，对其防雨防尘设计也变得非常重要［1］。

重型商用车辆进气扁管结构复杂，既要满足气体的流通性，又要对气体流动进行组织。其关键部位的尺寸对进气流动影响很大，找到这些关键部位并合理进行进气扁管的改进是优化的重点。数值模拟技术在汽车行业的实际应用和设计也成为各学科工作者追求的目标［2］。利用仿真软件对带有旋流管的进气扁管进行模拟分析，将扁管流场可视化，能直观的显示出流动结构的不合理之处，使进气道的设计优化具有针对性。

1 性能分析

表1所列灰尘粒度分为三级，路面灰尘中以SiO2、Fe2O3占绝大比例，属于高硬度研磨材料，其硬度达莫氏硬度7级左右。研究表明，20.000 μm的粒子对发动机气缸磨损最为严重，进气灰尘对气缸、活塞、活塞环、气门、气门导管等会产生严重磨损，灰尘透过活塞环，进入曲轴箱，也会加剧曲轴轴承、连杆轴承、曲轴径的磨损。所以合理的设计进气扁管防雨防尘性能，可以减少灰尘和雨水的吸入量，延长空滤器的使用寿命。

表1 灰尘粒度分级

2 数值模拟

2.1 计算模型建立

目前应用较多的是琼斯和劳德提出的K－ε双方程模型，列出进气系统内不可压缩湍流流动的控制方程组［3］。

质量守恒方程:

式中:ρ是密度;t是时间;u，v，w 是速度在 x，y，z方向的分量。

动量守恒方程:

式中:ρ是流体微元体上的压力，τxx，τyx，τzx等是分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力T 的分量，Fx，Fy，FZ是微元体上的力。

能量方程:

式中:CP是比热容，T为温度，K为流体的传热系数，Sr为内热源以及由于摩擦作用及流体机械能转化为热能的部分。

k－ε标准方程:

式中:GK是由于平均速度梯度引起的湍动能产生项，是由于浮力引起的湍动能K为可压湍流中脉动扩张的贡献，模型常数由实验得到的具体取值为:G1ε=1.44，G2ε=1.92，G3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3［4］。

2.2 流动特性分析

对旋流式进气扁管进行模拟，进气流量为1 800.000 m3/h，空气密度取 1.210 kg/m3，质量流率为 0.605 kg/s，计算得到压力和速度云图(见图1，2所示)。壁面压力云图颜色均匀，由于有旋流管存在，进气端进气阻力大，造成旋流管外侧区域压力较高。观察切面压力云图，发现气流经过旋流叶片后，管壁附近的气流压力大于中心区域，说明气流向旋流管壁面运动，在进入主体时气流呈集束状，是由于旋流管道的作用造成;主流道上半部分压力小，下半部分压力大，整个主流道的压力未平衡，气流垂直进入主流道，气流主要在流道下方流动。旋流管的个数决定了进气流量的大小，在入口端应布置尽可能多的旋流管，增大进气流量，且旋流管的直径不能过小，以保证进气阻力达到设计要求。观察图2速度切面云图发现，气流的流动特性与压强图一致，在主流道下半区域气流流动速度较快上半部分气流流动速度较低，上半区域平均流速为8.000 m/s，下半区域平均流速为30.000 m/s，速度相差较大。观察局部区域的放大图发现气流出现旋流运动，此种现象出现会造成气体动能的多余损失，流速下降，大旋流也会造成噪声增加，分析认为进气口和主流道呈垂直布置，且边界区域无圆角过度，造成气体的旋流［5］。

图1 进气扁管压力云图

图2 进气扁管速度云图

通过局部放大图2(b)看出，靠近壁面的区域速度比中心大，也证明了旋流叶片起作用，气流通过四叶片的旋流后，由于离心力的作用向壁面扩散，中心区域的气流稀薄壁面压强高于中心。气流也会带着液滴向壁面扩散，进入柱形格挡，以达到防雨防尘的效果。

图3为旋流管四叶片及六叶片结构示意图，分别设计四叶片和六叶片结构，计算压降和速度。图4、图5为旋流管壁面压力云图和旋流管速度云图。旋流管的流量等于总流量除以进气端旋流管的个数。计算表明六叶片的旋风管比四叶片的压降大，通过速度云图看出经过旋流叶片的气流螺旋式旋转运动，旋流叶片作用明显。气流的旋流会带动灰尘和叶滴的旋转，由于灰尘颗粒和雨滴自身质量，会呈螺旋线型旋转，最终进入桶后方隔离环，灰尘和雨滴从隔离环的外侧流入隔板内后从排尘口排出，空气则从隔离环的内部进入扁管，达到水气分离的效果。

图3 四叶片和六叶片实物图

图4 旋流管壁面压力云图

图5 旋流管速度云图

2.3 两相流模拟分析

粒子的动能来源于气流运动，对防灰防雨能力进行判断，要进行两相流模拟。在两相流研究中，把物质分为连续介质和离散介质。气体和液体属于连续介质，也称为连续相和流体相。固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质，也称为散相或颗粒相。欧拉.拉格朗日法以及欧拉.欧拉法是目前应用于多相流研究的最主要的两种方法。两种方法应用范围各有不同，其中在欧拉.拉格朗日方法中，流体主相和离散相分别求解，主相被视作连续相来求解纳维.斯托克斯方程，而离散相的运动解析解则是通过计算流场中大量粒子运动得到。与欧拉一拉格朗日法所不同的是在欧拉.欧拉法中主相和离散相并不是独立求解，不同的流体相作为互相贯穿的一种连续介质。本文利用欧拉.拉格朗日方法来计算模拟，粒子粒径分布1.000～50.000 μm。

通过前期的设计经验和实验数据确定出百叶窗的正面投影为全封闭状态的设计。首先对外部百叶窗投影未封闭和百叶窗投影全封闭进行两相流模拟对比，如图6所示。图7为粒子的速度轨迹图，计算时简化构型，扁管外部设置流场区域，粒子发出方向与进气道入口垂直。通过对比发现百叶窗正面投影在未封闭状态下，有部分粒子进入到进气扁管内部如图7(a);图7(b)为格栅全封闭状态，发现无粒子进入进气扁管内部。图8是对旋流管四叶片和六叶片的两相流模拟，通过粒子轨迹发现，粒子在壁面都开始旋转，经过旋流管的外环进入到挡水格内部，达到了除尘除雨的效果。四叶片和六叶片设计都达到了离心分离的作用。但是雨滴实际运动中的碰撞聚合碎裂无法模拟，所以防雨的能力还需实验验证。推荐设计3种结构:①四叶片加未封闭百叶窗;②四叶片加全封闭百叶窗;③六叶片加全封闭百叶窗。

一般认为增压器前压降小于3.5 kPa，不会影响发动机性能。三种设计都需进行压降试验确定构型，最终生产构型要满足压降及成本要求。

图6 百叶窗示意图

图7 进气扁管内部两相流模拟轨迹图

图8 旋流管两相流模拟轨迹图

3 结论

对旋流式进气系统展开研究，利用气动及两相流理论对构型进行模拟分析，使内部流场可视化，明确扁管内部流动特性，为优化设计提供参考。

(1)通过模拟分析发现进气口和主流道垂直布置时，气体在此区域出现旋流，流动不畅;进气扁管内部的压力和速度分布并不均匀，主流道下半区域速度快压力高，上半区域反之。

(2)为进气系统的设计提出了设计理论和方法，进气道设计尽量用圆角过渡，进气端面应加大入口面积，以降低压降;在满足压降的同时外部百叶窗投影面尽可能封闭。

［1］ 李海渡，苏国萃.起重运输车辆发动机进气系统的设计计算［J］.起重运输机械，2008(8):60 －69.

［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.

［3］ 贾彦龙，韩 青，陈宪琳.空气滤清嚣内不可压缩三维湍流流场的数值模拟［J］.农业装备与车辆工程，2007(11):30－32.

［4］ 张红岩，胨 珂，刘 岩.轻型工程自卸车进气系统设计布置［J］.专用汽车，2010(5):57 －59.

［5］ 洑 慧，江 帆，吴丰凯，等.基于CFD分析的进气歧管性能研究［J］.机械研究与应用，2014(27):149－151.