基于WAVE 和VECTIS 联合仿真的空滤器设计计算研究

李 杨 高宏亮 倪小南

（大长江集团有限公司研发中心 广东 江门 529000）

引言

传统的空滤器结构开发流程是采用经验设计加上反复试验，多次修正的方法进行设计，在设计开发中存在较大的盲目性和局限性，不仅设计开发周期长、耗费大，而且较难得到理想的方案。

近年来，随着商业软件的普及，很多学者和工程师开始采用CFD 软件进行空滤器的优化设计，如赵树恩等[1]和曾洪涛等[2]利用FLUENT 软件，通过对空滤器结构的优化来改善空滤器的阻力损失和提高滤芯的利用率；贾彦龙等[3]利用STAR-CD 软件，通过改变空滤器进气入口的角度使得涡流大小和位置改变从而降低空滤器的阻力损失。唐刚志等[4]通过试验获得空滤器滤芯的阻力特性参数，在此基础上开展了空滤器总成阻力成分CFD 计算，并提出了降低阻力损失改进措施。此外，空滤器除了进气和空气过滤外，也是影响进气声品质的重要声学元件，成为最近研究的热点，例如朱廉洁等[5]指出滤纸的考虑与否对空滤器中高频消声性能有很大的影响。曹培元等[6]利用声学软件Sysnoise 对空滤器总成进行声学性能计算，再结合FLUENT 压降分析，最终使得传递损失和压力损失得到改善。虽然空滤器在压降分析、滤芯的利用率以及声学改善上都取得了长足的进步，但是绝大多数基本上都是针对空滤器自身进行流场和声学研究，而对于车辆用空滤器，空滤器作为进气系统中的一个节点单元，除了考虑自身的各种特性外，还需要重点关注其系统性，即在整个发动机工作循环系统中考虑空滤器的声学及进气性能等。为此，本文基于里卡多专业软件WAVE 和VECTIS，综合系统分析和详细结构分析来探讨空滤器的设计开发。

本文基于WAVE 软件建立了发动机性能计算模型，并根据发动机性能目标提出了空滤器概念设计的主要设计参数：包含了空滤器总容积、空滤器进气管规格以及出气管规格。此外，一维系统性研究进气脉动性，通过计算分析获取了每个出气管进气流量随曲轴转角的变化规律；同时，基于一维系统分析结果，对空滤器的详细结构进行了三维CFD 分析。

1 数值模拟计算

1.1 一维性能计算

如果把发动机的进排气系统看作为各个零部件的串并联单元，那么空滤器就是发动机进气系统中一个单元节点。它在进气系统中，除了完成发动机进气和过滤空气外，还是重要的消声元件，空滤器本体和进出管路，构建了两个声学子系统。其一，构建了一端封闭和一端开口的管路声学系统：即空滤器本体、空滤器出气管到发动机进气门的管路系统；另一个管路声学系统是两端开口的管路声学系统：即大气环境、空滤器本体和空滤器进气系统。这里空滤器本体在声学系统中属于膨胀腔室。

此外，空滤器在发动机进气系统中，作为一个重要的单元节点，制约着发动机的充气效率。因此，空滤器在概念设计初期，必须考虑它的系统性，即它与发动机及整车进气系统的匹配关系。

在空滤器概念设计阶段，可以将空滤器简化为一个进气管、膨胀腔室和一个出气管。针对干净腔和污染腔的容积比例以及详细结构等细节，在这个阶段可以不做考虑。但是需要考虑滤芯的布置方向、滤芯的材质类型以及布置滤芯的窗口等概念选型。

基于一维热力学WAVE 计算模型，根据发动机性能目标要求，优化出空滤器总容积、空滤器进气管长度及随长度变化的直径、空滤器出气管长度及随长度变化的直径，作为空滤器详细设计的关键输入参数。同时，通过发动机性能计算模型得到了左右缸分别对应的空滤器左右出气管的瞬时流量，如图1所示。左右出气管的最大流量相隔接近180°曲轴转角。该一维系统分析结果将作为空滤器三维CFD 计算的边界条件。

图1 空滤器出气管瞬时流量

1.2 空滤器流场CFD 计算

空滤器的概念设计是整个空滤器设计阶段重要的节点。概念设计主要包括了空气滤的总容积、空滤器进气系统的布置和空滤器出气管路的布置等以及在整车总体布置等。概念设计锁定的参数，作为空滤器详细设计的输入条件，当详细的3D 设计完成，需要进行CFD 分析，其目的是评估空滤器总成流动状态，挖掘减小流动阻力损失的潜力；同时评估滤芯的利用率，为设计改进提供解决方案。

1.2.1 几何模型

一维性能计算完成后，进行空滤器总成的详细设计，设计后的空滤器干净腔一侧的状态，如图2 所示，包含了右管和左管、滤芯窗口位置以及空滤器进气口。

图2 空滤器3D 模型

1.2.2 网格划分

网格划分是数据模拟前处理的关键一步，划分质量的好会直接决定了数值模拟计算的精度以及计算的时间和收敛的速度。本文以里卡多VECTIS 软件自带前处理PHASE1 平台，进行了网格的划分设置，如图3a 所示，为了准确模拟通过进出气管处的流动，在空滤器进气管和出气管壁面进行了网格加密，如图3b 所示。

图3 空滤器网格划分

为了捕捉出气管喇叭入口的流动，在喇叭口壁面和喇叭口周围网格进行了深度加密（Depth=3.blending distance=2）的设置，另外在进出气管管口靠近空滤器壳体壁面的流动也较为复杂，也进行了DEEP=2，FORCE=2 加密块的设置。

1.2.3 数学模型及边界条件

数学模型：求解的方程包括质量守恒方程、动量方程、湍流模型以及能量方程。因为本文计算采用商业软件，而非自编程序，上述详细的数学模型就不再逐一列出。

本文基于瞬态计算，出口流量采用了WAVE 性能计算模型中输出的结果，流量是基于曲轴转角变化的。

边界条件：

1）进口边界：静压100 kPa；2）出口边界：流量；3）环境温度：25°；4）壁面温度：均设置为绝热；5）滤芯采用多孔介质处理，滤芯的阻力特性，采用流量试验台测试结果。

2 计算结果

首先对空滤器左出气管及空滤器腔室内其它流动状态分析，选取了570°CA 曲轴转角时刻，如图4所示。从图中流动迹线可以看出：出气管内气体流速是不均匀的，在沿管路周线方向上呈现不同的流速梯度，这主要是进气压力波脉动导致的。从图可知：空滤器干净腔内气体向出气管内流动时，在出气管的入口段产生一定流动损失，为了降低该局部流动损失，增加进气量，在空滤器的出气管入口设计了一定规格的喇叭口。这是因为管口边界层效应而导致的实际主流气体的流动横截面减小，从而降低气体从腔室进入管道的流量。引入喇叭口进气设计，可以大大降低管口的流动损失，增加发动机的进气量，在高转速时表现更为突出。

图4 左管流动轨迹分布图（570°CA）

为了更加清晰地表征出气管入口喇叭的设计，提取了流速矢量横截面图，如图5 所示。可以看出：为了增加出气管的进气量，设计了喇叭口，但是通过CFD 计算发现：右管和左管喇叭口的间隔非常小，使得腔室内的气体需要通过二者的狭缝才能进入出气管内，这样就大大削弱了喇叭口设计的初衷。同时，喇叭口和空滤器壳体壁面的间隔也是非常小，最终导致从干净腔内流入出气管内的气体集中在进气喇叭口1/2 半圆内进入，如图6 所示，大部分气体从靠近滤芯一侧且周边没有其它部件遮挡进入，而靠近壁面和右管的流速明显降低，这样虽然设计了喇叭口，但是由于喇叭口与周围部件的间隙考虑不周全，就大大降低了出气管的进气流通能力。

图5 左管截面流速分布图（570°CA）

图6 右管流动轨迹分布图（650°CA）

因此，在设计出气管喇叭口时，需要充分考虑进气喇叭口周围部件和喇叭口最大边缘的间隔以及同滤芯的相对位置关系，以保证喇叭口四周方向的气体均能顺利流入出气管内，从而实现最大的进气量，避免了流速滞区的产生。

空滤器出气管的设计，需要考虑所搭载发动机的气缸数。针对本文研究的摩托车双缸发动机，各气缸有独立的进气系统，两支独立的进气系统在空滤器干净腔内汇合。左缸对应左出气管，右缸对应右出气管，其中左缸定义为1 缸，右缸定义为2 缸，点火间隔是180°曲轴转角。

为了说明左右出气管压力脉动在空滤器干净腔内出现干涉现象，选取了曲轴转角650°CA 时刻空滤器内流场分布，如图6 所示。可以看出：该时刻右管的流动状态是正向进气过程，而左管流动状态是逆流状态，即出气管内的气体倒流进入干净腔内，并同腔室内的大部分气体合并后再次进入右管中。通过该时刻的各管流动状态，不难发现双出气管的空滤器会出现抢气过程，这也会导致两个气缸进气量不同，最终导致两个气缸平均有效压力的不均匀性，甚至影响发动机的输出功率。通过CFD 分析，直观地揭示了干净腔内进气干涉现象。为了解决这类问题，还是要追溯到进气脉动效应的产生和传播规律。然而，影响进气脉动效应的主要因数是发动机进气系统的长度。考虑到节气阀体和发动机进气管的可调空间很小，因此调节进气系统的长度主要就集中在空滤器出气管上。基于上述分析，可以将左右出气管长度进行差异化设计，具体增加或减少多少，需要回归到WAVE 性能计算。因此，通过一维和三维CFD 联合分析，相互提供边界条件，只有同时考虑空滤器自身特性以及在系统中的性能表现，才能设计出满足要求的空滤器。

此外，同分析左管的方法相同，提取了右管进口处流动矢量图，如图7 所示。可以看出：干净腔内的气体很顺畅地进入了右管中。虽然在喇叭口的周围同样存在左管，但是距离相对较远，不但不会影响腔室内的气体进入出气管，反而会起到一定的导流作用，最终表现为进入右管内气体明显增大，从图7 b可以看出：喇叭口周围的气体从圆周3/4 处以高流速进入右管中。至于喇叭口形状的设计，同出气管的直径密切相关，其宗旨是通过设计标准的喇叭口将干净腔内的气体顺畅导入出气管内，从而降低局部阻力损失，增加出气管的进气量，尤其是对于高速气流，效果更加明显。

图7 右管截面流速分布图（650°CA）

本文研究的空滤器左右管喇叭口靠近空滤器壳体壁面的距离太小，适当增大距离，可以更好地利用喇叭口将干净腔内气体导入到出气管内。

因此，在设计空滤器出气管时，往往需要满足其长度要求，在空滤器总容积有限的情况下，不得不使出气管的入口端接近空滤器壳体的壁面。在这种情况下，就需要考虑两个因素，一是出气管入口轴线方向上距离壁面的尺寸，这个不能设计太小，一方面影响出气管进气，另一方面影响声学特性。这是因为在进气脉动效应的作用下，进入出气管的气体向干净腔内倒流，而且以周期性脉冲的形式出现。这时如果距离壁面太近，势必会产生气流周期性冲击壁面的现象，从而导致空滤器壳体产生辐射噪声。第二还要考虑出气管进气口圆周方向上与周围部件或壁面的间隔，如果某一侧间距太小，将会限制从这一侧进入出气管的气体流量，腔室内的气体只能绕向出气管入口的正前方进入出气管，这样出气管进入口的进气效率就会下降。总之，无论从出气管入口的圆周方向还是轴向上，都应将空滤器出气管入口布置于相对宽阔的区域内。

3 结论

1）基于一维和三维的联合仿真，既分析了空滤器在整个进排气网络系统中所起的作用，又分析了空滤器本身的特性。因此，在设计空滤器时，必须考虑空滤器所在的工作环境，而且应优先考虑其系统特性；然后基于这一系统特性的要求，再进行空滤器总成的详细设计。

2）通过三维CFD 分析发现：在设计空滤器出气管时，必须考虑出气管入口布置在一个相对开放区域，避免布置在流速停滞区，而且喇叭口的设计是必要的。在满足空滤器出气管长度要求和出气管入口设计及其周边间隙上需要折中考虑。

3）基于联合仿真，进气脉动效应在三维CFD 详细分析中直观地显示了左右缸对应的出气管抢气现象。因此，针对双缸发动机，空滤器出气管的设计，需要考虑各气缸的进气差异性。

4）通过联合一维系统分析和详细局部结构三维分析，为空滤器基于目标的正向自主设计提供了技术支撑。