轻卡进气管的结构优化对系统流场特性的影响

徐 敏，王 栋,*，张清奎，张学龙，魏舒婷，汪祥支

（1.安徽华菱汽车有限公司，安徽 马鞍山 243061；2.安徽工业大学建筑工程学院，安徽 马鞍山 243002）

前言

随着社会的发展，汽车的普及率逐年上升，所带来的噪声问题也越来越严重，对于噪声值较大的卡车等车型，必须对其进行降噪处理，因为过大的噪声会增强驾驶员的疲劳感，影响驾驶员的身心健康，甚至引发各种交通事故[1-2]。

学术界和工程界首先关注了排气系统，对汽车排气系统的降噪进行了大量研究和应用，取得了令人满意的成绩[3-4]。进气噪声也是发动机的主要噪声源之一[5]，然而，进气系统降噪的研究还不够充分，近年来，行业内的学者们开始逐步将研究的重点转向了汽车的进气系统[6]。路小金等[5]通过主观评价的方法查找出某款汽车进气系统的最大噪声源，之后据此设计出3种降噪消声器并进行实验测试，最终筛选出了最优的降噪方案。杨德银等[7]利用Virtual lab 仿真软件对某款SMPV车的进气系统进行仿真分析，找出了加速过程中汽车内部噪声大的原因，然后设计了通过增加内插管及谐振腔来提高进气系统传递损失的降噪优化方案，实验测试结果表明进气系统的噪声得到了有效控制。

本文针对一款轻卡，依据其进气系统噪声的主要贡献频率，设计了相应的谐振腔，经过实验测量，发现其具有显著的降噪效果，相关研究成果本课题组已经进行了公开报道[6]。然而，所设计的谐振腔加装进进气管后，其对系统流场的影响大小还不确定，本文将利用Fluent15.0流场分析软件分别对加装谐振腔前后的引气管进行流场特性模拟，以分析谐振腔设计的合理性。

1 谐振腔的结构简介

通过噪声实验，得出原始进气管的噪声主要贡献频率为：125 Hz、180 Hz、465 Hz、640 Hz，据此，并考虑实际的进气管空间情况，分别设计出了谐振腔1、2、3、4，其结构如图1所示[6]。

图1 谐振腔结构图

2 进气管流场特性的数值模拟及结果分析

2.1 模型的简化

流体在实际的流动过程中，非常复杂，为减小模拟的工作量，需要进行必要的假设以达到简化计算的目的。本文在模拟时假设流体在恒温状态下进行流动，没有热交换，且流体为不可压缩流体。

2.2 模型的建立

2.2.1 进气管几何模型的建立

为防止雨、雪等外界水分进入管道，在进气管的入口处设置了斜向上角度的格栅，进气管的几何模型如图2所示，其中（a）图为原始进气管，（b）图为加装谐振腔后的进气管。

图2 进气管几何模型图

2.2.2 引气管流场网格的划分

采用ICEM来进行网格划分，在尺寸较小的部位（格栅和谐振腔）进行局部加密，通过网格无关性验证，加装谐振腔之前的进气管选择网格数量约为78万，而加装谐振腔后的进气管网格数量约为112万。图3为进气管的流场网络图，其中（a）图为原始进气管，（b）图为加装谐振腔后的进气管。

图3 进气管流场网格图

2.2.3 流场数值计算边界条件的设置

经过计算得出进气管内为湍流流动，采用Standard k-ε湍流模型来进行数值模拟，通过流体的流量和进气管的入口面积来确定入口速度，该模拟所设置的边界条件为：入口采用速度入口；出口采用压力出口；壁面为无滑移边界，采用标准壁面函数进行处理。

2.3 结果分析与讨论

所研究的进气系统工质流量为500 m3/h，在进行研究时，通过改变空气流量来设定5种工况（分别为200 m3/h、300 m3/h、400 m3/h、500 m3/h、600 m3/h）进行流场的模拟。模拟结果表明，虽然流量不断改变，但进气管内部流场的分布趋势变化不大，因此，本文仅选择一个工况（500 m3/h空气流量）进行结果分析和讨论。

图4为相同流量的条件下，加装谐振腔前后的进气管流场分布云图，其中（a）图为速度云图，（b）图为静压云图。从图4（a）可以看出，格栅对气流的进入产生了阻挡，导致气流速度下降；谐振腔内部气流速度很小表明了进入的空气量不大；而在加入谐振腔前后，进气管道的主体部分气流速度变化较小，这说明加入谐振腔基本不影响进气管内部的速度场。从图4（b）可以看出，原始进气管内存在局部负压区，这是因为有涡流存在，而加装谐振腔后，这种情况得到了有效改善，进气管内部压力分布更加均匀。从气流的速度和静压两个角度进行分析，结果均表明，加装谐振腔对进气管道的流场分布影响很小，不产生破坏作用。

图4 加装谐振腔前后，进气管流场分布云图

图5 显示了不同流量的条件下，进气管在加装谐振腔前后的压降对比。很显然，两者压降随流量的变化有相同的变化趋势。由图5还可看出，流量的增大加速了压降的增加，这是由于流量越大，管内气流扰动越剧烈所导致的，在加装谐振腔以后，进气管压降有了增加，但增幅不足6%，这表明流场并未受到大的干扰。

图5 不同流量下原始引气管与优化后引气管的压降

3 结论

本文以一款轻卡的进气系统为研究对象，为其设计了谐振腔以降低噪声，采用Fluent15.0流场分析软件对加装谐振腔前后的进气管流场特性进行了模拟，从气流的速度和静压及整个进气管的压降角度进行了分析，结果显示：所设计的谐振腔在具有良好降噪效果的前提下，对整个管道内的流场产生的影响极小，压降的增幅不超过6%，流场特性未受到干扰。这表明，所设计的谐振腔具有很好的合理性。