王 帝 劉俊超 李春玲 楊于奇 金天柱

（上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438）

0 前言

計算流體力學(xué)（CFD）是一項通過計算直接求解的流動主控方程，以此發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象規(guī)律的技術(shù)，它綜合了流體力學(xué)、傳熱學(xué)、計算數(shù)學(xué)、計算機科學(xué)、科學(xué)可視化等多種專業(yè)學(xué)科。CFD計算分析可以在試驗很難涉及的深度和精度對發(fā)動機及其零部件的流場和溫度場進行模擬，為產(chǎn)品開發(fā)和故障分析等工作提供流速、流量、壓力、溫度分布等必需的參考數(shù)據(jù)或邊界條件，用于指導(dǎo)發(fā)動機及其零部件的設(shè)計優(yōu)化。CFD已經(jīng)成為精確分析發(fā)動機冷卻潤滑系統(tǒng)、進氣排氣系統(tǒng)以及燃燒換熱過程等的有效手段，可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，減少試驗次數(shù)，降低時間和成本［1］。

1 CFD分析方法論

本文對某款滿足歐6排放的柴油機渦輪增壓器壓端進氣流道進行了CFD仿真和分析，同時進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。通過CFD方法來預(yù)測壓端進氣道的流通性能。其中，控制方程、質(zhì)量方程和動量方程滿足守恒定律［2］。

CFD分析中有很多湍流模型，其中標準k-ε模型最為廣泛應(yīng)用于各種管路和流道的計算［3－5］。標準k-ε模型以較為簡單的模型來計算復(fù)雜的流動，包括兩個方程。湍流動能方程公式

動能及浮力的推導(dǎo)方程

湍流耗散率的計算方程

以上的方程由CFD商業(yè)軟件StarCCM＋求解。Sk和Sε是由用戶定義源項，σk和σε是湍流Prandtl數(shù)。C1ε、C2ε以及 C3ε為常數(shù)。這些常數(shù)的具體數(shù)值如下：C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝1.3，σk＝1.0，σε＝1.3［6－7］。

2 壓氣端進氣流道設(shè)計選型

換氣過程是內(nèi)燃機排出循環(huán)中的已燃氣體和下一個循環(huán)吸入新鮮充量空氣的進排氣過程。內(nèi)燃機的充量系數(shù)反映了進氣過程的完善程度，是衡量發(fā)動機性能的重要指標。提供充量系數(shù)最重要的措施就是降低進氣系統(tǒng)的阻力損失。因此壓氣端進氣流道不但會影響增壓器點火控制曲線（MAP）進而影響增壓器的性能，還會影響充量系數(shù)進而影響發(fā)動機的性能。

基于本柴油機的結(jié)構(gòu)，以及匹配的渦輪增壓器，壓端進氣流道優(yōu)化設(shè)計分兩個系列。選項1系列為不改變低壓級壓殼，只改變高壓級壓殼及流道，選項2系列為同時改變高低壓級壓殼及流道，對以上兩個系列進行CFD分析，選取最優(yōu)的壓端進氣流道結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)壓氣端進氣流道結(jié)構(gòu)

3 壓端進氣流道CFD分析結(jié)果

通過CFD分析，得出結(jié)果見表1。

表1 總壓壓降結(jié)果

圖2 選項1系列部分壓端進氣流道結(jié)構(gòu)

圖3 選項2系列部分壓端進氣流道結(jié)構(gòu)

由結(jié)論可以得出選項1系列中，選項1.2為最優(yōu)設(shè)計，選項2系列中，選項2.2為最優(yōu)設(shè)計。從總壓結(jié)果可以看出，選項1.2的性能為3個設(shè)計中最佳設(shè)計。

3種設(shè)計中的速度均勻性結(jié)果，如表2所示。

表2 速度場分布結(jié)果

從速度均勻性結(jié)果可以看出選項1.2的性能為3個設(shè)計中最佳設(shè)計。綜上結(jié)果，選項1.2為最優(yōu)設(shè)計。

4 結(jié)論

通過CFD分析對比傳統(tǒng)以及選項1、選項2系列壓端進氣流道壓力降及進氣均勻性，選項1.2的壓力降最小，整體降低79.2%，選項1.2的速度均勻性最高，整體提升3.1%。故選項1.2的CFD性能最優(yōu)。從設(shè)計角度，不改變低壓級壓殼，改變高壓級壓殼及流道可以提高增壓器壓端的CFD性能，以提升增壓器性能及發(fā)動機的充量系數(shù)。

圖4 壓氣端進氣流道壓力分布結(jié)果

圖5 壓氣端進氣流道速度流線結(jié)果