基于STAR-CCM+的汽车排气系统分析及优化

王春海

保定长安客车制造有限公司 河北省定州市 073000

1 引言

汽车排气系统总成是汽车的关键零部件，其空气动力性的好坏直接影响到排放、噪声，并且对车辆的动力性、油耗也有比较大的影响[1]。通过数值模拟，从理论上分析排气系统的各种性能，能够很缩短开发周期，提高开发效率，降低试验费用。

本文以某柴油机为例，借助CFD分析流体软件STAR-CCM+对排气系统进行稳态流场分析，并根据流场的压强、速度矢量图分析了其结构对排气有效性的影响，最后简单地提出了优化方法。

2 理论基础

排气系统的CFD分析基于质量、动能、能量守恒的3个基本传递方程。对于处于湍流模式下的不可压缩性流体采用标准k-ε两方程模型。标准k-ε模型是个半经验公式，主要是基于湍流动能k和扩散率ε。k方程是个精确方程，ε方程是个由经验公式导出的方程[2]。

湍流动能k输运方程：

湍流耗散率ε输运方程：

式中：Gk—由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；Gb—由于浮力引起的湍动能k的产生项；YM—可压湍流中脉动扩张的贡献；C1z，C2z、C3z—经验常数；σk、σz—与湍流能k和耗散率对应的Prandtl数；Sk、Sz—用户定义的源项。

均匀性系数UI用来直观反映气流分布的均匀性，其定义如下：

式中：A表示截面面积；Ai表示截面上单元面积；ui表示截面上单元的局部速度；u＿表示截面平均速度。

3 流场模拟与优化

3.1 网格划分

该排气系统由催化转化器（下文以DOC代称）总成、颗粒捕集器（下文以DPF简称）总成、前消声器总成、后消声管总成等部分组成。提取出排气系统的流体计算区域，并对模型进行如下简化：将前排气管总成、后消声管总成的多孔管段的小孔做封闭处理。在hypermesh里生成面网格，再利用STAR-CCM+进行体网格划分，采用切割体网格模型，基本尺寸为4mm，网格总数为370万。网格模型如图1所示。

3.2 边界条件

流体介质为空气，采用稳态CFD分析，模拟工况为全速全负荷，质量流量进口；出口为压力出口；DOC载体和DPF载体设为多孔介质区域，设定相应的粘性阻力系数和惯性阻力系数；其余边界设置为壁面边界条件，湍流模型采用Realizable K-epsilon模型。

图1 网格模型

图2 压力分布

图3 前消声器截面速度矢量分布

图4 DPF截面速度矢量图

图5 优化方案示意图

图6 优化方案DPF截面速度矢量图

3.3 原始模型计算结果及分析

经结算得出，排气系统的背压为50.3KPa，压力分布及前消声器速度矢量分布，如图2、图3所示。从图3中可以看出，当气流在流动截面突然变化时（从管流向腔或从腔流入管），速度急剧减小或增大，涡流现象严重，从而增大压损。

经计算得出，DOC载体前端的均匀性系数为0.850，DPF载体前端的均匀性系数为0.881。

DPF截面速度矢量分布如图4所示。从图中看出，由于DPF入口前的弯管的导向作用，在气流进入DPF端盖后，有向下运动的趋势，造成DPF载体前端的气流分布不均。

3.4 优化模型计算结果及分析

鉴于以上对DPF速度场的分析，发现DPF由于入口前弯管的影响和入口处于端盖中心的布局，使得DPF载体的气流均匀性不佳，有优化空间。因此提出将DPF入口中心布置改为偏置布置，改动区域如图5所示：

经计算得出，优化方案的排气系统背压为48.8KPa，较原始方案减少了1.5KPa。优化方案的DPF载体前端均匀性系数UI为0.891，较原始方案提高了0.01，气流均匀性有所改善。

图6为优化方案DPF截面速度矢量图。从图中看出，在DPF端盖内的气流比原始方案更靠近载体中心。

4 结语

通过对排气系统进行CFD分析，得到以下结论：

（1）对排气系统进行CFD分析，较好地模拟了排气系统的流场情况，有利于评估和改进其工作性能；（2）通过将DPF进口端盖由中心对称改为偏置布置，能够改进载体的气流均匀性，也能够减小整个排气系统的背压，改善排气系统的排气能力。