基于CFD的车辆进气系统流场仿真与分析

,
Gb =
gi
t
Prt
T xi
,
eff = 1 + t , t = C k2,
式中: Gk 是由于平均速度梯度引起的湍动能产生; Gb 是由于浮力影响引起的湍动能产生; k , 分别 为湍动能和耗散率的有效普朗特数的倒数, F luent 软件默认值为 k = 1 0, = 0 77; P rt 为湍动普朗 特数, 取 P rt = 0 85; 为 热膨 胀 系数, 一 般 = 0 011~ 0 015; 对高雷诺数问题, 取 C = 0 084 5, 默认取 C1 = 1 42, C2 = 1 68, C3 = 0 09.
Abstract: Generally, t he em pirical equat ions are f requent ly used in t he t radit ional design met hod of air int ake syst em of engine aux iliary sy st em, w hich leads t o t he result s inaccuracy, som et imes big deviat ion ex ist s bet w een t he em pirical dat a and calcul at ed data. Aiming at t his dif ficult prob lem, a desig n met ho d based on CFD ( com put at ional f luid dynamics) w as pro posed. Af ter est ab lishing the three dim ensional model and m eshing t he int ake syst em , RNG( renormalizat ion gr oup) t urbulence mo del w as chosen t o est ablish mat hem at ical model of gas phase. U nder som e def ined appropriate boundary co ndit ions, t he gas f low f ield in air int ake system w as simulat ed by F luent code. Addit ionally, in order to take t he inf luence of air f ilt er gauze, the st ruct ure o f air f ilter w as assum ed t o porous zone and t he distribution o f speed and pressures co rresponding t o the t hree met hods w ere com pared. A nd the air resist ance w as chosen as t he t est ing crit erion t o evaluate t he quality o f this met ho d. Results show t hat the second program, w hose inlet resistance w as least to be t he best program. T he method provides technological reference for the design of int ake syst em. Key words: air int ake syst em ; CF D; po rous zone; opt im ized design
到的流经旋风分离器的速度矢量不准确, 尤其是在中
心区域, 出现了一个不合理的涡流; RSM 模型得到的
结果比标准 k- 模型好得多, 但 RSM 模型控制方程复
杂, 作三维仿真时不易收敛或收敛较慢; RNG 模型能较 好地解决前 2 种模型的不足, 受到越来越广泛的关注.
RN G 模型是利用重组化群的数学方法, 在标准 k - 模型基础上推导出来的[ 5] , 改进的湍流模型具
质量守恒方程:
连续相在计算过程中, 首先要满足的是连续性
方程, 即质量守恒方程, 任何流动问题都必须满足质
量守恒定律, 即
ui xi
=
0( i=
1, 2, 3) ,
( 1)
其中 ui ( i= 1, 2, 3) 分别为 x 1 , x 2 , x 3 三个方向的
速度分量.
动量方程:
xj
uiuj
=-
p xi
+
xj
ui xj
u iuj
+ fi
( i= 1, 2, 3) ,
( 2)
其中 为流体密度, p 为流体微元体上的压强, f i 为
3 个方向的单位质量力[ 4] .
第4期
王治林, 等: 基于 CFD 的车辆进气系统流场仿真与分析
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式( 1) 、( 2) 中未知量个数多于方程的个数, 因此是
不封闭的, 需要建立相应的湍流模型方程来完成封闭.
W ANG Zhi lin1 , CH ENG Kai1 , L IN Yuan2
( 1. Colleg e o f M echanical Science and Engineering , Jilin U niver sity, Chang chun 130025, China; 2. Chang chun V o cational Institute of T echnolog y, Changchun 130025, China)
目前有不少学者对进气系统的设计进 行过介 绍, 如: 李海波等针对某起重运输车辆提出一种采用 数学公式的进气系统设计计算[ 1] ; 张红岩等针对某
收稿日期: 2011 04 19. 作者简介: 王治林( 1986 ) , 男, 吉林 白山人, 硕士生, 从事工程机械性能与测控技术研究, E mail: zhj_323@ 163. com.
进气系统是车辆的重要组成部分, 进气系统的 性能影响着发动机和整车性能. 不合理的进气系统 设计导致进气阻力较大, 发动机燃油经济性变差. 同 时进气阻力增加造成系统内部真空度加大, 对系统 各接口密封性提出严格的要求, 当不能完全满足密
封条件时, 未经过滤的空气会从各接口被吸入气缸, 造成气缸的磨损, 减短气缸的使用寿命.
1 07
变径管
采用 T 字形三通管, 在发动机 进 气口处设置 90 变径管
1 16
图 2 进气系统方案三维模型 F ig . 2 T hree dimensio nal model o f air intake sy stem
1. 2 数学模型建立
为了方便计算, 提出以下假设:
1) 由于进气系统工作时, 气体来源于外界大气, 颗粒和气体的混合物看作是一种均匀介质, 它们之
2 边界条件
RN G( renor malization gr oup) 湍流模型建立气相的数学模型, 定义适当的边界条件, 利用 Fluent 软件对进 气系统气
相流动规律进行数值模拟. 在充分考虑空气滤清器滤网的影响, 将 滤网结构设为多孔介 质区域的基 础上, 对比分析
3 种设计方案内部流场的速度矢量分布和压力分布, 以进气阻力为评判准则, 确定进气阻力最小 的方案 2 为最佳设
通信联系人: 成凯, 教授, E mail: cheng kai@ jlu. edu. cn.
2 66
工程设计学报
轻型自卸车提出理论与经验相结合的设计方案[ 2] . 这些都为我们进气系统的设计提供了思路, 但有些 公式或参数是由经验确定的, 导致计算结果不够准 确. 本文考虑了空气滤清器滤网的影响, 针对某铰接 履带运输车进气系统的几种方案, 基于计算流体动 力学( CFD) 方法, 利用成熟的流体力学软件 F luent 对进气系统进行整体仿真, 计算出进气系统三维湍 流流场, 得到内部气体的速度分布和压力分布图像, 分析比较得到最优的设计方案.
第 18 卷第 4 期 2011 年 8 月
工 程 设 计学 报
Journal of Engineering Design
DOI: 10. 3785/ j. issn. 1006 754X. 2011. 04. 007
V ol. 18 N o. 4 Aug. 2011
基于 CF D 的车辆进气系统流场仿真与分析
T able1 Str uctural difference amo ng three intake sy stems
进气系 统方案 方案 1
方案 2
方案 3
结构特点
划分网格数/ 万个
采用 Y 字形三通管, 在空气滤 清 器出口处设置 45 变径管
1 04
采用 Y 字形三通管, 在发动机 进
气口( 即进 气系统 末端) 设置 90
1 模型建立
第 18 卷
1. 1 三维模型建立及网格生成
采用前处理软件 gambit 建立进气系统三维模 型, 由于空气滤清器结构比较复杂, 在三维建模时需 作适当的简化处理. 建立的空气滤清器几何模型, 应 用 g am bit 进行网格划分, 计算区域网格模型如图 1 所示. 为使 F luent 处理方便、易收敛, 网格划分时采 用主要以六面体为主, 在适当位置包含楔形网格生 成体网格, 在不适宜采用六面体网格部位采用非结 构化四面体和锥形网格. 单只空气滤清器总网格数 约为 43 万个.
计方案. 这种方法对进气系统的设计提供了实用的参考.
关键词: 进气系统; CFD; 多孔介质; 优化设计
中图分类号: T P 391 9
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
文献标志码: A
文章编号: 1006 754X( 2011) 04 0265 05
Fluid simulation and analysis for automotive air intake systems based on CFD
选择合适的湍流模型对仿真结果的正确性起着
重要的作用. 因为空气滤清器中存在着高速的旋转
流场, 它会使在一般情况下稳定收敛的湍流模型发
散. 目前应用比较普 遍的有标准 k - 模型、RNG
( r enorm alizat ion g roup) 湍流 模 型和 RSM ( Reyn
olds st ress mo del) 模型. 针对各模型优劣, 有学者将 其应用于旋风分离器的模拟, 发现: 标准 k - 模型得
有更高的可信度和精度. 其湍动能和耗散率方程与
标准 k - 模型相似, 为:
( ku i ) =
xi
xj
k eff
k xj
+ Gk + Gb -
,
( 3)
(
ui) xi
=
xj
eff x j +
2
C1 k ( G k + C3 G b ) - C2 k ,
( 4)
其中: Gk =
t
i
xj
+
j
xi
i
xj
王治林1 , 成 凯1, 林 源2
( 1. 吉林大学 机械科学与工程学院, 吉林 长 春 130025; 2. 长春职业技术学院, 吉林 长春 130025)
摘 要: 针对 传统发动机辅助系统中进气系统的设计多采用经验公式, 结果不够准确这 一问题, 提出了基 于计算流
体动力学 ( co mputational f luid dynamics, CFD ) 的设计 方法. 通过建 立进气 系统的 三维模 型并进 行网格划 分, 选择
间没有相对滑移; 在进行模拟时, 可以把这种稀相气
固两相流近似简化成具有平均流体特性的单相流.
2) 在流动过程中密度不变, 是不可压缩流体. 3) 工作过程中温度不变, 是等温过程.
4) 空气滤清器入口的气流速度分布实际上并不 均匀, 在模拟时, 假设入口处气流速度分布均匀[ 3] .
基于以上假设, 可列出进气系统内不可压缩湍 流流动的控制方程组.
图 1 空气滤清器网格模型 Fig. 1 G rid model o f air f ilter
根据发动机进气量需求及车辆具体安装空间限
制, 设计出 3 种进气系统管路布置方案. 表 1 列出了 3 种进气系统结构的区别. 图 2 表示的是 3 种不同
进气方案的几何模型.
表 1 3 种进气系统结构的区别