基于CFD的車輛進(jìn)氣系統(tǒng)流場仿真與分析

2017-04-24  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

針對傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)中進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多采用經(jīng)驗(yàn)公式,結(jié)果不夠準(zhǔn)確這一問題,提出了基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)的設(shè)計(jì)方法。通過建立進(jìn)氣系統(tǒng)的三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選擇RNG(renormalization-gr oup)湍流模型建立氣相的數(shù)學(xué)模型,定義適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件,利用Fluent 軟件對進(jìn)氣系統(tǒng)氣相流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬。在充分考慮空氣濾清器濾網(wǎng)的影響,將濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域的基礎(chǔ)上,對比分析3 種設(shè)計(jì)方案內(nèi)部流場的速度矢量分布和壓力分布,以進(jìn)氣阻力為評判準(zhǔn)則,確定進(jìn)氣阻力最小的方案2 為最佳設(shè)計(jì)方案。這種方法對進(jìn)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了實(shí)用的參考。

進(jìn)氣系統(tǒng)是車輛的重要組成部分,進(jìn)氣系統(tǒng)的性能影響著發(fā)動(dòng)機(jī)和整車性能。不合理的進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)致進(jìn)氣阻力較大,發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性變差。同時(shí)進(jìn)氣阻力增加造成系統(tǒng)內(nèi)部真空度加大,對系統(tǒng)各接口密封性提出嚴(yán)格的要求,當(dāng)不能完全滿足密封條件時(shí),未經(jīng)過濾的空氣會(huì)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(wǎng)的影響,針對某鉸接履帶運(yùn)輸車進(jìn)氣系統(tǒng)的幾種方案,基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法,利用成熟的流體力學(xué)軟件Fluent對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真,計(jì)算出進(jìn)氣系統(tǒng)三維湍流流場,得到內(nèi)部氣體的速度分布和壓力分布圖像,分析比較得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

模型建立

一、三維模型及網(wǎng)格生成

采用前處理軟件gambi t 建立進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型,由于空氣濾清器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,在三維建模時(shí)需作適當(dāng)?shù)暮喕幚?。建立的空氣濾清器幾何模型,應(yīng)用gambit 進(jìn)行網(wǎng)格劃分,計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格模型如圖1所示。為使Fluent 處理方便、易收斂,網(wǎng)格劃分時(shí)采用主要以六面體為主,在適當(dāng)位置包含楔形網(wǎng)格生成體網(wǎng)格,在不適宜采用六面體網(wǎng)格部位采用非結(jié)構(gòu)化四面體和錐形網(wǎng)格。單只空氣濾清器總網(wǎng)格數(shù)約為43 萬個(gè)。

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量需求及車輛具體安裝空間限制,設(shè)計(jì)出3 種進(jìn)氣系統(tǒng)管路布置方案。表1 列出了3 種進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的區(qū)別。圖2 表示的是3 種不同進(jìn)氣方案的幾何模型。

1)由于進(jìn)氣系統(tǒng)工作時(shí),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(zhì),它們之間沒有相對滑移;在進(jìn)行模擬時(shí),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(dòng)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(shí)際上并不均勻,在模擬時(shí),假設(shè)入口處氣流速度分布均勻。

基于以上假設(shè),可列出進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)不可壓縮湍流流動(dòng)的控制方程組。

質(zhì)量守恒方程:

連續(xù)相在計(jì)算過程中,首先要滿足的是連續(xù)性方程,即質(zhì)量守恒方程,任何流動(dòng)問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律,即

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

動(dòng)量方程:

其中ρ為流體密度,p 為流體微元體上的壓強(qiáng),fi為3個(gè)方向的單位質(zhì)量力。

式(1)、(2)中未知量個(gè)數(shù)多于方程的個(gè)數(shù),因此是不封閉的,需要建立相應(yīng)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(jié)果的正確性起著重要的作用。因?yàn)榭諝鉃V清器中存在著高速的旋轉(zhuǎn)流場,它會(huì)使在一般情況下穩(wěn)定收斂的湍流模型發(fā)散。目前應(yīng)用比較普遍的有標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)劣,有學(xué)者將其應(yīng)用于旋風(fēng)分離器的模擬,發(fā)現(xiàn):標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型得到的流經(jīng)旋風(fēng)分離器的速度矢量不準(zhǔn)確,尤其是在中心區(qū)域,出現(xiàn)了一個(gè)不合理的渦流;RSM 模型得到的結(jié)果比標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型好得多,但RSM 模型控制方程復(fù)雜,作三維仿真時(shí)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(guān)注。

RNG 模型是利用重組化群的數(shù)學(xué)方法,在標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的,改進(jìn)的湍流模型具有更高的可信度和精度。其湍動(dòng)能和耗散率方程與標(biāo)準(zhǔn)k -ε模型相似,為:

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

邊界條件

操作條件:環(huán)境壓力為1.01 ×10^5 Pa ,環(huán)境溫度為25 ℃。

入口條件:根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣量,定義空氣濾清器進(jìn)氣口速度。

出口條件:主要出口(即與發(fā)動(dòng)機(jī)相連出口)和空氣濾清器排塵出口均設(shè)為逃逸出口條件。

壁面條件:設(shè)為無滑移壁面條件。

多孔介質(zhì)區(qū):在處理空氣濾清器濾芯時(shí),采用Fluent 中多孔介質(zhì)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(zhì)就是在定義為多孔介質(zhì)的區(qū)域,結(jié)合了一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)為主的流動(dòng)阻力,在動(dòng)量方程上疊加了一個(gè)動(dòng)量源項(xiàng)。源項(xiàng)包括兩部分:粘性損失項(xiàng)(式(5)右邊第1 項(xiàng))和慣性損失項(xiàng)(式(5)右邊第2 項(xiàng)),即

式中α為滲透性系數(shù),C2是慣性阻力系數(shù)。根據(jù)空氣濾清器廠家提供的數(shù)據(jù),繪出一個(gè)速度與壓降二次曲線,p =33.7 x2 +1.28 x 。與(5)式比較,對應(yīng)系數(shù)相等,計(jì)算得到本模型的粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)。按實(shí)驗(yàn)值設(shè)定多孔介質(zhì)的開孔率。

結(jié)果分析

空氣濾清器是進(jìn)氣系統(tǒng)的主要組成部件,也是模擬仿真的難點(diǎn)。為驗(yàn)證模擬結(jié)果真實(shí)性與準(zhǔn)確性,對空氣濾清器單獨(dú)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(jìn)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(zhì)區(qū)域;在空氣濾清器內(nèi)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(fā)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(guān)系與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)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(nèi),模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性,表明多孔介質(zhì)區(qū)域設(shè)置的粘性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)和開孔率符合實(shí)際,采用RNG 模型模擬的空氣濾清器內(nèi)部流場有良好的準(zhǔn)確性。

根據(jù)設(shè)計(jì)好的3 種方案模型,在Fluent 中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,得出進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部的速度場與壓力場。為方便比較,各方案設(shè)置相同的進(jìn)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(jìn)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(huì)對彎管產(chǎn)生沖擊,影響接頭的密封質(zhì)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(huì)造成能量損失;圖5(d)顯示在縱向平面內(nèi)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(jìn)氣系統(tǒng)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(fù)壓存在,將會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象,造成局部的沖擊,產(chǎn)生噪音和震動(dòng)。

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

從圖中可以看出:在相同進(jìn)氣量下,方案2進(jìn)氣阻力最小,方案1進(jìn)氣阻力最大;而在進(jìn)氣阻力相同時(shí),方案2進(jìn)氣量最大,方案1進(jìn)氣量最小。

結(jié)論

1)采用合適的網(wǎng)格劃分,設(shè)置合理的邊界條件,用RNG 模型預(yù)測進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)流場有很好的精度。

2)用多孔介質(zhì)模型計(jì)算空氣濾清器濾網(wǎng)內(nèi)部流場,能很好反映該區(qū)域的速度和壓力分布,流體通過多孔介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生了較大的壓降。

3)3 種方案中,方案2 內(nèi)部流場速度變化最小,不存在對流或渦流,壓力分布最均勻。

4)方案2 可以在最小的進(jìn)氣阻力下提供需要的進(jìn)氣量。

因此,通過分析Fluent 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,認(rèn)為方案2為最佳設(shè)計(jì)方案。

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