基于CFD的車輛進氣系統流場仿真與分析

2017-04-24 by:CAE仿真在線來源:互聯網

針對傳統發動機輔助系統中進氣系統的設計多采用經驗公式,結果不夠準確這一問題,提出了基于計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)的設計方法。通過建立進氣系統的三維模型并進行網格劃分,選擇RNG(renormalization-gr oup)湍流模型建立氣相的數學模型,定義適當的邊界條件,利用Fluent 軟件對進氣系統氣相流動規律進行數值模擬。在充分考慮空氣濾清器濾網的影響,將濾網結構設為多孔介質區域的基礎上,對比分析3 種設計方案內部流場的速度矢量分布和壓力分布,以進氣阻力為評判準則,確定進氣阻力最小的方案2 為最佳設計方案。這種方法對進氣系統的設計提供了實用的參考。

進氣系統是車輛的重要組成部分,進氣系統的性能影響著發動機和整車性能。不合理的進氣系統設計導致進氣阻力較大,發動機燃油經濟性變差。同時進氣阻力增加造成系統內部真空度加大,對系統各接口密封性提出嚴格的要求,當不能完全滿足密封條件時,未經過濾的空氣會從各接口被吸入氣缸,造成氣缸的磨損,減短氣缸的使用壽命。

本文考慮了空氣濾清器濾網的影響,針對某鉸接履帶運輸車進氣系統的幾種方案,基于計算流體動力學(CFD)方法,利用成熟的流體力學軟件Fluent對進氣系統進行整體仿真,計算出進氣系統三維湍流流場,得到內部氣體的速度分布和壓力分布圖像,分析比較得到最優的設計方案。

模型建立

一、三維模型及網格生成

采用前處理軟件gambi t 建立進氣系統三維模型,由于空氣濾清器結構比較復雜,在三維建模時需作適當的簡化處理。建立的空氣濾清器幾何模型,應用gambit 進行網格劃分,計算區域網格模型如圖1所示。為使Fluent 處理方便、易收斂,網格劃分時采用主要以六面體為主,在適當位置包含楔形網格生成體網格,在不適宜采用六面體網格部位采用非結構化四面體和錐形網格。單只空氣濾清器總網格數約為43 萬個。

根據發動機進氣量需求及車輛具體安裝空間限制,設計出3 種進氣系統管路布置方案。表1 列出了3 種進氣系統結構的區別。圖2 表示的是3 種不同進氣方案的幾何模型。

二、數學模型建立

為了方便計算,提出以下假設:

1)由于進氣系統工作時,氣體來源于外界大氣,顆粒和氣體的混合物看作是一種均勻介質,它們之間沒有相對滑移;在進行模擬時,可以把這種稀相氣固兩相流近似簡化成具有平均流體特性的單相流。

2)在流動過程中密度不變,是不可壓縮流體。

3)工作過程中溫度不變,是等溫過程。

4)空氣濾清器入口的氣流速度分布實際上并不均勻,在模擬時,假設入口處氣流速度分布均勻。

基于以上假設,可列出進氣系統內不可壓縮湍流流動的控制方程組。

質量守恒方程:

連續相在計算過程中,首先要滿足的是連續性方程,即質量守恒方程,任何流動問題都必須滿足質量守恒定律,即

其中ui (i =1 ,2 ,3)分別為x1 ,x2 ,x3 三個方向的速度分量。

動量方程:

其中ρ為流體密度,p 為流體微元體上的壓強,fi為3個方向的單位質量力。

式(1)、(2)中未知量個數多于方程的個數,因此是不封閉的,需要建立相應的湍流模型方程來完成封閉。

選擇合適的湍流模型對仿真結果的正確性起著重要的作用。因為空氣濾清器中存在著高速的旋轉流場,它會使在一般情況下穩定收斂的湍流模型發散。目前應用比較普遍的有標準k -ε模型、RNG(renormalization-g roup)湍流模型和RSM (Rey n-olds stress model)模型。針對各模型優劣,有學者將其應用于旋風分離器的模擬,發現:標準k -ε模型得到的流經旋風分離器的速度矢量不準確,尤其是在中心區域,出現了一個不合理的渦流;RSM 模型得到的結果比標準k -ε模型好得多,但RSM 模型控制方程復雜,作三維仿真時不易收斂或收斂較慢;RNG 模型能較好地解決前2 種模型的不足,受到越來越廣泛的關注。

RNG 模型是利用重組化群的數學方法,在標準k -ε模型基礎上推導出來的,改進的湍流模型具有更高的可信度和精度。其湍動能和耗散率方程與標準k -ε模型相似,為:

式中:Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能產生;Gb是由于浮力影響引起的湍動能產生;αk,αε分別為湍動能和耗散率的有效普朗特數的倒數,Fluent軟件默認值為αk=1.0,αε=0.77 ;Prt 為湍動普朗特數,取Prt =0.85 ;β 為熱膨脹系數,一般β =0.011~0.015;對高雷諾數問題,取Cμ=0.0845,默認取C1ε=1.42 ,C2ε=1.68 ,C3ε=0.09。

邊界條件

操作條件:環境壓力為1.01 ×10^5 Pa ,環境溫度為25 ℃。

入口條件:根據進氣系統進氣量,定義空氣濾清器進氣口速度。

出口條件:主要出口(即與發動機相連出口)和空氣濾清器排塵出口均設為逃逸出口條件。

壁面條件:設為無滑移壁面條件。

多孔介質區:在處理空氣濾清器濾芯時,采用Fluent 中多孔介質模型。該模型適用范圍非常廣泛,包括填充床、過濾紙、多孔板等,其本質就是在定義為多孔介質的區域,結合了一個根據經驗假設為主的流動阻力,在動量方程上疊加了一個動量源項。源項包括兩部分:粘性損失項(式(5)右邊第1 項)和慣性損失項(式(5)右邊第2 項),即

式中α為滲透性系數,C2是慣性阻力系數。根據空氣濾清器廠家提供的數據,繪出一個速度與壓降二次曲線,p =33.7 x2 +1.28 x 。與(5)式比較,對應系數相等,計算得到本模型的粘性阻力系數和慣性阻力系數。按實驗值設定多孔介質的開孔率。

結果分析

空氣濾清器是進氣系統的主要組成部件,也是模擬仿真的難點。為驗證模擬結果真實性與準確性,對空氣濾清器單獨建模仿真,圖3所示為空氣濾清器縱向中間截面(x =0 mm)和空氣濾清器進氣口縱向截面(x =50.5 mm)流場示意圖。從圖中可以看出:氣流能順利通過多孔介質區域;在空氣濾清器內部,氣流速度矢量的方向和大小都有很大的改變,在出口處形成方向一致、速度較大的矢量場;在排塵口處有向外發散矢量,便于將灰塵顆粒帶出空氣濾清器。

將模擬所得流速與阻力關系與實驗值進行對比分析,如圖4 所示。由該圖可以看出,在空氣濾清器正常工作范圍內,模擬結果和實驗結果有很好的一致性,表明多孔介質區域設置的粘性阻力系數、慣性阻力系數和開孔率符合實際,采用RNG 模型模擬的空氣濾清器內部流場有良好的準確性。

根據設計好的3 種方案模型,在Fluent 中進行數值計算,得出進氣系統內部的速度場與壓力場。為方便比較,各方案設置相同的進氣口速度,選取具有代表性的同一截面(空氣濾水平中間平面)進行速度矢量分析。圖5為3種方案的速度矢量圖。圖6為3種方案整體壓力分布的壓力云圖。

從各方案速度矢量圖中可以看出:圖5(a)中在兩支路匯合處速度急劇升高,速度過大會對彎管產生沖擊,影響接頭的密封質量;圖5(b)中在兩支路匯合處速度變化也比較明顯,但與圖5(a)相比有較大改善;圖5(c)顯示在水平面上存在對流,氣流相互撞擊會造成能量損失;圖5(d)顯示在縱向平面內拐角處中心速度非常大,而近壁面處速度非常小,易形成渦流。

從各方案整體壓力云圖可以看出:圖6(a)所示進氣系統在兩支路交匯處壓力有較大變化;圖6(b)與圖6(c)中,同樣是在兩支路交匯處壓力存在較大變化,但與圖6(a)相比變化幅度不大;圖6(a)、(b)、(c)中在折彎處均有較大負壓存在,將會產生氣蝕現象,造成局部的沖擊,產生噪音和震動。

對進氣系統進氣口和出氣口壓力進行面積分,可以求得在不同流量下進、出氣口的壓力差,即進氣阻力,進而得到3 種方案進氣量與進氣阻力之間的關系,如圖7 所示。