基于cfd数值模拟某乘用车排气系统设计

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基于CFD数值模拟某乘用车排气系统设计黄名宗王伟伟刘淑玉谢志清上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心摘要：采用数值计算与实验验证相结合的方法，对某款乘用车的排气系统进行开发设计。以排气背压为主要评判准则，通过FLUENT对初步设计的两套方案进行数值模拟，发现方案二的背压优于方案一;将样件搭载到发动机台架做验证，发现只有方案二满足发动机背压要求;对方案二进一步做噪声测试，结果表明，总声压及各阶次噪声均没有超过目标曲线，满足整车性能要求。关键词：排气系统;CFD;实验验证;设计;作者简介：黄名宗（1988-），男，广西南宁人，上汽通用五菱汽车股份有限公司排气系统工程师，硕上研究牛，从事排气系统设计工作。ExhaustSystemDesignforthePassengerCarBasedonCFDSimulationHUANGMing-zongWANGWei-weiLIUShu-yuXIEZhi-qingTDC,SAICGMWulingAutomobileCo.,Ltd.;Abstract：Apassengercarexhaustsystemisdesignedwithcomputationalfluiddynamics(CFD)simulationandexperimentverification.TwosetsofpreliminarydesignschemesaresimulatedwithFLUENTandfoundthatthebackpressureofscheme IIisbetterthanschemeIbasedonexhaustbackpressureasthemainevaluationcriteria.OnlyschemeIIcansatisfythecngincbackpressurercquircmentswhensamplesarccarriedoncnginctestbenchforauthentication.Furthermore,theresultofschemeIIofnoisetestshowsthatthetotalsoundpressureandeachordernoiseareunderthetargetcurve,meetingtheperformancerequirements.Keyword：exhaustsystem;CFD;experimentalverification;design;0引言新开发一款乘用车，该乘用车是在某款已量产车型的基础上改进而来;采用数值模拟与实验相结合的方法开发该乘用车的排气系统，不仅可以减小试验量，缩短设计周期，还可提高开发效率，降低设计成本［口。文章阐述某款乘用车排气系统在满足排气背压的前提下，基于实验和CFD分析的开发设计过程。1设计方案排气系统包括排气歧管、三元催化转化器、柔性节、主消声器、副消声器及管道等。工程上习惯将从排气门到三元催化器的部分称为排气系统热端;三元催化器以后至排气尾管称为排气冷端。新开发车型的底盘与量产车的基本相同，只是为了给油箱腾空间而做了小幅度更改;为减少排气系统试验量，缩短设计周期，降低设计成本，实现零件模块化、平台化，初始方案是:新开发车型的排气系统尽可能的借用量产车型的设计。初步设计两种方案，排气系统热端均完全借用量产车型;柔性节、前消声器及其连接管道限于底盘布置空间，无法改动，故也采取借用策略;前消声器后段管道及后消声器则根据底盘布置做适应性更改，注意避让油箱及其他底盘零件，并保持足够的安全间隙。前消声器后段管道及后消声器的初步设计结构与布置方案如图1所示。方案二与方案一相比，作了以下改动:方案二的前消后段管向油箱右侧偏移，从油箱右侧经过，不从油箱下方经过;后消声器向尾管方向移动了120mm,第三腔长度增加30価;减少插入管的穿孔数，孔径减小4価，排出管上增加6圈直径3mm的小圆孔，尾管的长度缩短200mm□图1前消后段管及后消总成初步设计方案下载原图 2流场分析因两套设计方案只有前消声器后段管道及后消声器部装总成的结构不同，故进行数值模拟时，只分析此二者内部流场的差异，以观察所设计的方案是否满足排气系统性能要求。利用三维软件曲面抽取技术将流体模型从结构模型中抽取出来，为便于网格划分及运算求解，对三维流体模型做一定的简化:忽略各管道接口及法兰处的间隙,忽略隔盘与消声器接合处的导角，忽略后消声器上的排水孔。经过简化后，得到的三维流体模型如图2所示。图2前消后段管及后消总成三维流体模型下载原图2.1网格划分后消声器的隔盘及穿孔管有许多细小的孔，不易划分结构网格;文章采用八叉树的划分方法，对流体模型进行网格划分，网格类型为四面体网格，对隔盘及带孔的内插管做局部加密处理，网格尺寸以满足工程计算精度为依据;对管道壁面和消声器壁面牛成边界层网格，以充分考虑壁面对气体流动过程的影响。2.2计算模型将排气流体看成稳态理想流体，流动介质为燃油烟气，发动机排岀的废气主要是由N2、C02、也0以及少量HC、NO、CO、SO2等气体组成;忽略掉小量气体,计算废气物性时统一按照体积分数C02和H20各占10%,N2占80%进行计算宜。流体处于稳态，则密度P不随时间变化，连续方程可写成：其屮P是密度，t是时间，u、V、W是流体速度在X、y、z方向上的分量。动量方程:式中，P是微元体上的压力；TgJy和Jz是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性力T的分量；F,、Fy和R是微元体上的体力，若体力只有重力，且Z轴竖直向上，则FfO,Fy=0,F2=-Pg能量方程: FLUENT求解的能量方程形式如下:式中，keff=kt+k，为有效导热系数(湍流导热系数根据湍流模型来定义)。h是组分j'的扩散通量。方程右边前三项分别为导热项、组分扩散项和粘性耗散项。Sh是化学反应热和其他体积热源。其中，对理想气体，，对不可压缩气体，是组分j'的质量分数，组分j'的熔定义为，其屮T点二298.15K。湍流模型：对湍流流动，工程上广泛采用标准模型求解Rl，k和e分别为湍动能方程和扩散方程：方程中Gk表示由层流速度梯度而产生的湍流动能，S是由浮力产生的湍流动能,人由于在可压缩湍流中，过渡的扩散产生的波动，C1£,C2£,C3£,是常量，Ok和0。是k方程和£方程的湍流Prandt1数，Sk和b是用户定义的［4］。标准k-£模型常数见表1所示。表1标准k-£模型经验常数值下载原表2.3边界条件(1)进口：质量流量通过发动机最高标定转速得到，为0.068kg/s;根据发动机排量和转速确定湍动条件及1，由台架试验测定入口排气温度。(2)出口：设定为压力出口，为常温条件下的大气环境。(3)壁面:设定为不滑移、对流换热壁面条件，对流换热系数根据壁面材料特性参数，取值为15W/(ni•k)I21o3模拟结果与讨论 采用FLUENT对上述模型在发动机最高标定转速下的流场进行求解，并对运算结果进行如下分析和讨论。通过计算，得到前消声器后段管道及后消声器部装总成压力分布图如图3所示，结果表明：方案一的背压为13kPa左右，方案二的背压为&5kPa左右，方案一的背压明显大于方案二的，说明尾管缩短有利于降低排气系统的背压。从消声器压力分布图可知，消声器内的压力在隔盘前后分段很明显，气流每经过一个腔，就产生一个明显的压力降，而腔内部压力变化相对较小，由此可知，压降产生的主要原因是气流通过内插管、多孔隔板时的扩缩损失［1］。图3前消后段管及后消总成压力分布图下载原图后消声器内流体流速分布如图4所示;从图中可以非常直观地看到气流在消声器内部的流动状况，气流从入口进入消声器后，气流通过隔盘、穿孔管上的小孔在三个腔体间传递，气流经过这些小孔时会发生气流喷注，这是消声器二次噪声源Z-,通过分析喷注气流的流速和喷注融合的范围可判断能够产生二次噪声的部位，并可根据模拟结果调整小孔排布和孔密度来降低或消除喷注气流；图4显示，两个方案的气流喷注并不明显，但方案二的尾管出口处有一局部高速区，有形成气流噪声的可能性。综合针对模拟结果的分析，方案一的背压比方案二的大了近一半，有可能满足不了发动机的背压要求;而方案二的尾管岀口处存在一个局部高速区，有形成气流噪声的风险。4发动机台架背压测试为验证两套设计方案装配到整个排气系统后，能否满足整个排气系统的排气背压要求，将两套方案的排气系统样件（含三元催化器及前消声器）搭载到发动机台架上进行背压测试。4.1试验方案图4后消声器内流体流速分布图下载原图 试验在常温室内环境下进行，做发动机全负荷速度特性试验臣1,转速由lOOOr/minx1200r/min逐次递增200直至5600r/min;在三元催化器前后分别开孔，并安装长度约30cm的，用来安装压力传感器的L型细管。压力传感器安装吋与管壁平行，以便准确测量其中的静压。排气背压及发动机性能数据由台架控制系统生成。4.2测试结果通过试验，得到两个方案的排气系统背压与发动机转速的关系，见图5。台架背压测试结果发现:方案一的排气背压，在发动机转速高于4200r/min时，排气背压超过38kPa的设计目标;方案二的测试结果，在发动机最高转速时，背压值为36kPa左右，小于38kPa,满足发动机各转速下的排气背压要求。由此可判定，方案一所设计的后消声器产生了较大背压，设计不合理;方案二有待进一步做噪声测试验证。5噪声测试5.1试验标准参考GB/T18697-2002《汽车车内噪声测量方法》、QC/T631-2009《汽车排气消声器总成技术条件和试验方法》。5.2测试方法噪声测点:尾管噪声采集位置位于排气尾管口，与尾管口轴向及径向距离均为100mm,但处于同一水平而;排气前后消声器壳体正下方50mm[5]。测试工况:怠速，关空调;图6方案二二噪声测试结果下载原图图5排气系统背压曲线加速，2档全油门；下载原图加速，3档全油门。 测试设备:LMS32通道数据采集前端，型号，SCM05;G.R.A.S.传感器，型号，46AEo测试环境:背景噪声低于20dB(A),测试25土1°C,相对湿度30土1%5.3测试结果从图6中可见，二档各阶次的噪声曲线均未超过企业的阶次目标值线，总声压级曲线也在目标值范围内；阶次噪声随转速的波动较大，总声压级则较平缓，与转速大致成正相关;在转速达到2000r/min左右，总声压出现一个波峰，幅值在1.7dB左右，人耳不易分辨出来，不影响主观评价⑹。从三档的噪声测试结果屮发现，总声压级曲线的波峰略微前移，波峰出现在1900r/min左右;总声压及各阶次噪声均没有超过目标曲线，满足整车性能要求，结果与二档的比较相似。综合来看，测试结果可以接受。综上所术，方案二的设计，不管是排气背压还是排气噪声，都满足整车性能要求，因此方案二可作为最终的设计方案。6结论(1)利用FLUENT对两套设计方案的流场进行了数值计算，得到后消声器总成的背压，并经过发动机台架实验验证，从这可看岀CFD技术在排气系统开发设计中起到的作用。(2)缩短尾管长度有利于降低排气系统背压。(3)方案二的模拟结果屮，尾管出口处出现有局部高速区，但在噪声测试时并没有测试到再生气流噪声，因此排气系统的开发应该结合数值模拟与实验研究再作定论。参考文献[1]李洪亮，王海洋，王务林•汽车排气系统的流场分析与优化[J]•汽车技术，2010(1):14-17.[2]谷芳，刘伯潭，李洪亮，等•基于CFD数值模拟的汽车排气系统结构分析[J].内燃机学报，2007,25(4):358-363.[3]朱茂强，徐飞云•微型汽车发动机排气系统优化设计[J]•内燃机，2011,4(8):1-5.[4]周俊杰，徐国权，张华俊.FLUENT工程技术与实例分析[M]•北京：中国水利水电出版社，2010. [1]黄华，倪计民•车用发动机排气背压试验及排气系统开发研究[J].机电一体化，2015(1):3-7.[2]肖生浩，刘志恩，颜伏伍，等•基于阶次设计的汽车排气噪声品质运动感调校[J]・华屮科技大学学报(自然科学版)，2016,44(10):53-5&