輕卡進氣管的結構優化對系統流場特性的影響

徐 敏，王 棟,*，張清奎，張學龍，魏舒婷，汪祥支

（1.安徽華菱汽車有限公司，安徽 馬鞍山 243061；2.安徽工業大學建筑工程學院，安徽 馬鞍山 243002）

前言

隨著社會的發展，汽車的普及率逐年上升，所帶來的噪聲問題也越來越嚴重，對于噪聲值較大的卡車等車型，必須對其進行降噪處理，因為過大的噪聲會增強駕駛員的疲勞感，影響駕駛員的身心健康，甚至引發各種交通事故[1-2]。

學術界和工程界首先關注了排氣系統，對汽車排氣系統的降噪進行了大量研究和應用，取得了令人滿意的成績[3-4]。進氣噪聲也是發動機的主要噪聲源之一[5]，然而，進氣系統降噪的研究還不夠充分，近年來，行業內的學者們開始逐步將研究的重點轉向了汽車的進氣系統[6]。路小金等[5]通過主觀評價的方法查找出某款汽車進氣系統的最大噪聲源，之后據此設計出3種降噪消聲器并進行實驗測試，最終篩選出了最優的降噪方案。楊德銀等[7]利用Virtual lab 仿真軟件對某款SMPV車的進氣系統進行仿真分析，找出了加速過程中汽車內部噪聲大的原因，然后設計了通過增加內插管及諧振腔來提高進氣系統傳遞損失的降噪優化方案，實驗測試結果表明進氣系統的噪聲得到了有效控制。

本文針對一款輕卡，依據其進氣系統噪聲的主要貢獻頻率，設計了相應的諧振腔，經過實驗測量，發現其具有顯著的降噪效果，相關研究成果本課題組已經進行了公開報道[6]。然而，所設計的諧振腔加裝進進氣管后，其對系統流場的影響大小還不確定，本文將利用Fluent15.0流場分析軟件分別對加裝諧振腔前后的引氣管進行流場特性模擬，以分析諧振腔設計的合理性。

1 諧振腔的結構簡介

通過噪聲實驗，得出原始進氣管的噪聲主要貢獻頻率為：125 Hz、180 Hz、465 Hz、640 Hz，據此，并考慮實際的進氣管空間情況，分別設計出了諧振腔1、2、3、4，其結構如圖1所示[6]。

圖1 諧振腔結構圖

2 進氣管流場特性的數值模擬及結果分析

2.1 模型的簡化

流體在實際的流動過程中，非常復雜，為減小模擬的工作量，需要進行必要的假設以達到簡化計算的目的。本文在模擬時假設流體在恒溫狀態下進行流動，沒有熱交換，且流體為不可壓縮流體。

2.2 模型的建立

2.2.1 進氣管幾何模型的建立

為防止雨、雪等外界水分進入管道，在進氣管的入口處設置了斜向上角度的格柵，進氣管的幾何模型如圖2所示，其中（a）圖為原始進氣管，（b）圖為加裝諧振腔后的進氣管。

圖2 進氣管幾何模型圖

2.2.2 引氣管流場網格的劃分

采用ICEM來進行網格劃分，在尺寸較小的部位（格柵和諧振腔）進行局部加密，通過網格無關性驗證，加裝諧振腔之前的進氣管選擇網格數量約為78萬，而加裝諧振腔后的進氣管網格數量約為112萬。圖3為進氣管的流場網絡圖，其中（a）圖為原始進氣管，（b）圖為加裝諧振腔后的進氣管。

圖3 進氣管流場網格圖

2.2.3 流場數值計算邊界條件的設置

經過計算得出進氣管內為湍流流動，采用Standard k-ε湍流模型來進行數值模擬，通過流體的流量和進氣管的入口面積來確定入口速度，該模擬所設置的邊界條件為：入口采用速度入口；出口采用壓力出口；壁面為無滑移邊界，采用標準壁面函數進行處理。

2.3 結果分析與討論

所研究的進氣系統工質流量為500 m3/h，在進行研究時，通過改變空氣流量來設定5種工況（分別為200 m3/h、300 m3/h、400 m3/h、500 m3/h、600 m3/h）進行流場的模擬。模擬結果表明，雖然流量不斷改變，但進氣管內部流場的分布趨勢變化不大，因此，本文僅選擇一個工況（500 m3/h空氣流量）進行結果分析和討論。

圖4為相同流量的條件下，加裝諧振腔前后的進氣管流場分布云圖，其中（a）圖為速度云圖，（b）圖為靜壓云圖。從圖4（a）可以看出，格柵對氣流的進入產生了阻擋，導致氣流速度下降；諧振腔內部氣流速度很小表明了進入的空氣量不大；而在加入諧振腔前后，進氣管道的主體部分氣流速度變化較小，這說明加入諧振腔基本不影響進氣管內部的速度場。從圖4（b）可以看出，原始進氣管內存在局部負壓區，這是因為有渦流存在，而加裝諧振腔后，這種情況得到了有效改善，進氣管內部壓力分布更加均勻。從氣流的速度和靜壓兩個角度進行分析，結果均表明，加裝諧振腔對進氣管道的流場分布影響很小，不產生破壞作用。

圖4 加裝諧振腔前后，進氣管流場分布云圖

圖5 顯示了不同流量的條件下，進氣管在加裝諧振腔前后的壓降對比。很顯然，兩者壓降隨流量的變化有相同的變化趨勢。由圖5還可看出，流量的增大加速了壓降的增加，這是由于流量越大，管內氣流擾動越劇烈所導致的，在加裝諧振腔以后，進氣管壓降有了增加，但增幅不足6%，這表明流場并未受到大的干擾。

圖5 不同流量下原始引氣管與優化后引氣管的壓降

3 結論

本文以一款輕卡的進氣系統為研究對象，為其設計了諧振腔以降低噪聲，采用Fluent15.0流場分析軟件對加裝諧振腔前后的進氣管流場特性進行了模擬，從氣流的速度和靜壓及整個進氣管的壓降角度進行了分析，結果顯示：所設計的諧振腔在具有良好降噪效果的前提下，對整個管道內的流場產生的影響極小，壓降的增幅不超過6%，流場特性未受到干擾。這表明，所設計的諧振腔具有很好的合理性。