汽车空气滤清器前进气管的流场特性仿真分析(1)

汽车空气滤清器前进气管的流场特性仿真分析傅立敏胡兴军（吉林大学汽车空气动力学研究所，吉林长春130025）摘要：本文研究对象为某国产新型载货汽车的空气滤清器前进气管。针对研究对象进行了汽车空气滤清器前进气管流场特性的的仿真分析。通过仿真，我们得出了空气滤清器前进气管的流场速度、压力分布、流态等流场特性。通过对仿真结果分析，我们对原方案的局部结构进行了优化设计，以便改善流场特性，降低流动压力损失，进而减少流动阻力降低发动机功率。本文将针对汽车空气滤清器前进气管流场特性的的仿真分析。通过仿真，我们得出空气滤清器前进气管的流场速度、压力分布、流态等流场特性。通过对仿真结果分析，我们对原方案的局部结构进行了优化设计，以便改善流场特性，降低流动压力损失。1几何模型的建立进气管原始几何模型的建立是在PRO-ENGINEERING平台下完成的。图1为PRO-E下进气管的几何模型网状显示图形。图1PRO-E下的几何模型2几何模型的修补与缝合对进气管流场进行仿真分析时，为了便于分析的进行，我们细小的几何结构进行了简化，如销孔进行封堵（这些结构的几何尺寸相对于正流场来说是微不足道的，且对流场影响很小）。我们在PRO-E中完成的进气管的几何模型是有三个零件装配成的，为了形成流场仿真区域的边界，我们将进气管的三个零件的几何实体模型导入UNIGRAPHICS平台，首先抽取进气管的内表面，进行内表面修补与缝合。因为流场仿真分析软件要求边界必须是封闭的，所以表面文件中不能存在自由边。而进气管的进口处存在着300多条自由边（如图2），我们必须进行缝合与修补。　图2主要数据出错的位置（进口出的50多个隔栅）用于分析的几何模型为一个完整一体的几何实体。缝合修补完后，我们就可以生成完整的几何实体，如图3。图3缝合完毕的几何实体模型该实体几何模型的外表面就是我们计算仿真的流场区域的边界。3在流体分析软件中确定流场边界将UG平台下的修补后的结果文件导入STAR-CD平台，由于STAR-CD平台对数据的要求非常严格且数据评判标准也不一样，表面文件数据导入仿真软件平台后有一些自由边的错误的出现，我们必须对这些错误进行修补处理，并进行缝合以形成平台要求的流场边界。如图4，5，6。在流场边界每次修补完后就用检查工具进行表面检查分析，检查结果显示可能还会有其它类型的、导致流场部封闭的错误存在，我们必须再进行修补，直至报告没有错误为止。流场计算网格将在修补完后形成的最后边界所限制的封闭区域内生成。图4表面数据导入后的结果图及图5流场进口的隔栅处需要进行修补的自由边（图中蓝线处）4网格生成将流场边界修补完毕后，就可以进行网格生成了。进气管的流场几何结构是非常复杂的：（1）整个流场边界由大大小小近17.5万个面组成。图6流场内部需要进行修补的自由边（图中红线处）（2）进气管结构细节众多。进口的结构原本就比较复杂，现又在其后加入了50多个小隔栅，各小隔栅与原件母体之间还有小三角体连接。此处大概有100多个小的几何形体。流场中还存在着5个固定螺栓安装孔，以及5根块导流筋。还有出口处的挡雨水的三角台阶。这些都将为流场网格的生成增加难度。但为了仿真尽量与真实情况吻合，我们在生成流场边界时都保留了这些细节。（如图7）图7流场内部细节（3）进气管的进口处（紧挨车头部分），为复杂的三维曲面（如图8），曲率变化大。图8进口后面的复杂的曲面（4）整个流场尺度为米量级，而进口格栅尺度为毫米量级。这将导致流场网格尺度的量级应该低于毫米，虽然网格量级低，计算精度增加，这将大大增加流场网格生成数量，从而也对我们的仿真计算机的硬件配置提出了非常高的要求。为了提高计算精度，我们在流场中采用六面体网格。但由于时上种种原因，并不是所有的地方都能生成六面体网格，因此，生成的网格存在大量的错误，特别在尺寸小的区域，可能发生网格坍塌或变形的问题，无法生成六面体网格，我们必须手动修补这些地方，用四面体网格进行填充。如图9，10，11。图9流场内导流筋板处的网格发生坍塌图10进行修补图11重新生成网格最后经过修补，我们生成了仿真分析的网格，网格总数为1154648个，其中87%均为六面体网格，13%为修补填充使用的四面体网格或其它多面体（如四棱锥等）。图12完成修补后的所有计算网格5进气管的流场分析5.1仿真中所使用的模型及其介质物理属性的的设置（1）时间模型（timedomain）在时间域使用稳态分析模型（steadystatemodel）。（2）多相流模型（multi-phasetreatment）流场分析时只有一种仿真介质，为空气，因此该仿真采用单相流模型。（3）热力学模型（thermalmodel）由于进气管处在常温条件下，温度变化小，采用不计算温度变化、无热传、热辐且绝热的热力学模型。（4）湍流模型（turbulencemodel）控制方程为采用ε−k高雷诺数模型如下雷诺数的计算公式为：µρUd=Re将空气密度ρ=1.2250kg/m3，车速U=21m/s，进气管的特征长度为d=1.20m，μ=1.7894x10-5Ns/m2代入公式得6100.2Re×≈因此采用ε−k高雷诺数湍流模型（ε−k/highReynoltsnumbermodel）。（5）介质物理属性的设置环境大气压为P=101.325kPa，气温为T=300K，空气密度ρ=1.2250kg/m3，μ=1.7894x10-5Ns/m2。5.2仿真中所采用的算法、松弛系数与差分格式（1）使用算法采用SMPISO算法（2）松弛系数对于所计算的各物理量的松弛系数均采用0.7（3）差分格式计算差分格式采用迎风差分格式（UD）。5.3边界条件的设置对于进气管的流场已知条件为：车速：75km/h，即U21m/s≈进气管的流量：Q32m=3/min出口处的真空度为4000Pa：即Poutlet=-4000Pa根据已知条件在进口和出口设置的具体边界条件如下：INLET:U=21m/s,V=0,W=0OUTLET:U=0,V=0,W=-16.135m/s,P=-4000PaWall:U=0,V=0,W=0此边界条件为除去进出口的所用边界均设置为固定的壁面边界条件（如图13中的黑色边界），即没有速度。进口处的湍流动能与湍流耗散均为缺省值，保持不变。加完边界条件后的仿真模型，如图13所示。所有加边界条件的面为279299个。图13模型边界条件5.4仿真计算过程（1）设置迭代步数与计算收敛残差。在本计算中，设置迭代步数为500步，收敛标准为0.001。（2）实际计算过程本仿真采用的计算机硬件配置为：奔腾4处理器主频2.4G，内存2G。每仿真计算一次需耗费CPU时间73400.0秒，即20.4个小时左右。对于进行流场分析的计算仿真时，实际迭代至481步时计算物理量的残差已经达到收敛标准，停止计算,实际花费的计算时间为20个小时。INLETOUTLETINLETWALL5.5仿真分析的结果（1）仿真结果显示（a）进气管（含壁面）速度分布（b）内部速度分布图14速度分布（a）内部压力分布（b）进气管压力分布（含壁面）图15压力分布（a）（b）图16湍流动能的分布图17流态显示从流场仿真分析的结果看来，气流的能量大部分损失在进口处的隔栅处，在该处压力损失也较大，此处阻力较大。而在进入气管后，湍流动能的分布，除了在固定销孔后出现几个相对较大的值外，在流场内的绝大多数地方基本上是均匀的，压力损失较小，阻力小。（2）进出口压力差:为了计算进出口压力差，我们将进出口处所在面上的各点压力值进行面积分并平均分别得到进出口处的面平均压力值。进出口压力平均值如下。在进口处：Pinlet=101164Pa在出口出口处：Poutlet=100238Pa进出口压力差为：Pdiff=926Pa6结论根据流场分析结果，对前进气管的几何模型的改进提出以下意见：（1）在流场进口处，由于流场边界本身的几何形状很复杂，同时隔栅（细小的几何形体）的数量多，因此此处的湍流动能大，压力损失大。为了减小能量损失，建议进行隔栅三角连接处的倒角以及每个隔栅的前缘进行倒圆，并进行流线型设计。（2）在进气管的内部，为减小流场内部的分离流，减小湍流动能进而减小压力损失，进而减小流动阻力，建议对筋板前缘进行倒圆。参考文献1．USERGUIDEOFSTAR-CD3.15A,COMPUTATIONALDYNAMICSLimited,20022．METHODOLOGYOFSTAR-CD3.15A,COMPUTATIONALDYNAMICSLimited,2002