汽车进气系统流场仿真分析研究和声学性能改进

汽车进气系统流场仿真分析研究和声学性能改进

靳畅周鋐陆丽蓉

（同济大学汽车学院上海 bryan_jin_1@https://www.wendangku.net/doc/3012728443.html,）

摘要：汽车进气系统除了完成进气和空气滤清的功能之外，通常还要求有良好的声学特性并有效控制发动机的进气噪声。通过改变不同的结构参数分析对于进气系统流场的影响，流场分析中采用多孔跳跃模型来模拟滤纸。同时针对进气系统的低频噪声峰值，采用加装消声结构来提高进气系统的低频消声性能，并且与试验相结合，表明试验结果与数值仿真分析结果良好吻合，在管路上增加这种声学结构后，原进气系统的声学性能得到了很大的改善。

关键词：进气系统、CFD、多孔跳跃、声学性能、试验

1、引言

汽车进气系统在过去三十年中，发展迅速。进气系统是控制空气进入燃烧室的系统。进气系统的功能是是使更多的、冷却的空气进入发动机燃烧室并充分燃烧以获得更清洁的排放及更大的功率，同时还要过滤空气中的沙尘保证进入气缸的空气清洁以改善燃烧和排放性能[1]。进气系统包括前进气导流管、空气滤清器、赫姆霍兹消声器、后进气导流管、柔性连接管（波纹管），如图1所示。

图1 进气系统的结构示意图

汽车进气系统通常把进气消声器与空气滤清器相结合，一方面进气系统管道与腔体的连接可以形成一个扩张腔，起到抗性消声的效果，另一方面，空滤腔体中部的滤芯既可以滤清空气，同时滤纸本身就是良好的吸声材料，能有效降低中高频噪声，为消除低频噪声成分，一般还需增设共振消声结构[2]。

对进气系统的研究过去主要着重于进气效率、滤清效率以及压力损失等方面，随着技术的发展以及对汽车舒适性要求的提高，进气系统的声学特性方面的研究也越来越必要。本文将利用三维有限元法进行进气系统流场的分析。为了研究进气噪声的低频峰值问题，因此采用适于做低频分析的一维平面波理论分析法。

2、进气系统的流场仿真计算

进气系统的三维实体CAD模型如图2所示，该进气系统由进气管，腔体，出气管组成。腔体内部由隔板分成三个膨胀腔，但未完全隔离，三腔之间气流可以直接流动。第一腔和第二腔之间设置有导流管，由于导流管的作用空气直接进入第二腔，第二腔内部中间是一层滤纸，厚度为30mm。出气管直接与第二腔相连，通过滤纸后的干净空气由出气管进入发动机燃烧室。出气管上有一段波纹软管，主要是为进气系统便于在发动机舱内安装和减小结构振动引起的辐射噪声。

图2 进气系统的三维实体CAD 模型

图3 气系统的三维有限元模型

流场仿真分析采用Fluent 软件，图3为用于Fluent 流场仿真计算的有限元模型。为进气系统腔体中部的滤纸直接建模，因此可以利用计算流体动力学（CFD ）理论中的多孔介质模型[3]。多孔介质模型可以应用于很多问题，如通过充满介质的流动、通过过滤纸、穿孔圆盘、流量分配器以及管道堆的流动。当使用这一模型时，就定义了一个具有多孔介质的单元区域，而且流动的压力损失由多孔介质的动量方程中所输入的内容来决定。

多孔介质模型有两类，分别是一维化简模型和完全的多孔介质模型。多孔介质的一维化简模型，被称为多孔跳跃，可用于模拟具有已知速度/压降特征的薄膜。多孔跳跃模型应用于表面区域而不是单元区域，它具有更好的鲁棒性（robust ），并具有更好的收敛性。本文就是利用多孔跳跃模型来模拟滤纸。

多孔介质的动量方程具有附加的动量源项。源项由两部分组成，一部分是粘性损失项，另一个是内部损失项。具有有限厚度的薄膜介质，通过它的压力变化定义为Darcy 定律和附加内部损失项的结合，即动量源项，对于简单的均匀多孔介质，有：

m v C v p Δ??

?

???+?=Δ2221ραμ

其中，μ是层流流体粘性，取1.789×10-5N ·S/m 2，α是介质的渗透性，是内部阻力因子，即，是垂直于介质表面的速度分量，2C v m Δ为薄膜的厚度，ρ是介质密度，取1.225kg/m 3。

本文采用Fluent 软件自带的非平衡壁面函数与可实现ε?k 湍流模型被用于计算区域的

湍流求解，计算区域的边界条件包括进出口边界、多孔跳跃和固体壁面三种： 1） 进出口边界。进口边界采用速度进口（velocity inlet ），当进气量为220m 3/h 时，经估算

得到，进气管入口端面的进气流速为24.82m/s 。出口边界设定为出流（outflow ）。压力参考点设在进口端。

2） 多孔跳跃。多孔跳跃模型需要输入以下参数：介质的表面粘性阻力系数，即α1；多孔

介质厚度；压力跳跃系数。m Δ2C α1和的适当值可以通过对试验测得的多组不同进气速度分量对应的压降值进行最小二乘法得到[4]。本文中，2C α1取20212642，取2302.9。

2C 3） 固体壁面边界。无滑移条件应用于所有壁面。

根据以上设置，利用Fluent 软件对两种不同结构参数的进气系统进行了流场仿真分析，两种不同的结构如图4所示。

（a ）出气管等截面 （b ）出气管一端收口

图4 进气系统的两种不同结构

出气管波纹管前与腔体相连接部分管道等截面时，出气管剖面的速度和压力云图如图5和图6所示。从速度云图上可以看到，总体上腔体内气体流速不高，大约为5m/s 到15m/s ，腔体内气体流速较高的区域就是从导流管内流出通过滤纸由于惯性而直接进入出气管的大部分气体流经的区域。在出气管与腔体的交界面处，由于管道截面突然变化，而引起气体流速急剧增大，达到35m/s 左右，但出气管内流速分布比较均匀，没有局部过高区域。从压力云图上可以看到，压力分布层次清晰，且每段都是均匀分布，基本上分为三个区域。压力突变发生在出气管与腔体的交界面处，但在这个交界面两边的管道和腔体内的压力分布是均匀的，没有压力突变。由仿真结果得到进气系统入口与出口间压降为2.28kPa 。

图5 进气系统等截面出气管速度云图 图6 进气系统等截面出气管压力云图

出气管波纹管前与腔体相连接部分管道截面发生变化，一端收口时，出气管剖面的速度和压力云图如图7和图8所示。从速度云图上可以看到，速度分布总体上与出气管等截面时一致，变化出现在波纹管前出气管收口处，此处速度急剧增大，达到50m/s 左右，之后速度又有所下降，形成一个速度剧烈脉动区域。压力分布也基本与出气管等截面时相似，但在波纹管前出气管收口处比等截面时多出现了一次压降，更加大了压力损失。压力损失过大会引起进气阻力增大，造成发动机进气量不足进而会影响发动机功率，因此进气系统的压力损失不应过大。由仿真结果得到进气系统入口与出口间压降为2.46kPa 。

图7 进气系统一端收口出气管速度云图图8 进气系统一端收口出气管压力云图

由以上仿真结果可知，出气管波纹管前与腔体相连接部分管道一端收口后，会引起此处的气体流速急剧上升，造成流速局部过高，同时引起整个进气系统的更大的压降。管道等截面的情况，流场更趋稳定，压力损失较小。进气阻力越小，进入气缸的空气越多，燃烧效率就越高，一方面提高发动机功率，另一方面燃烧充分有利于改善排放。

3、进气系统的声学性能改进

进气系统的噪声这个噪声源离车厢距离很近，所以对车内噪声贡献非常大，应加以重视。进气系统的噪声源主要包括周期性的压力脉动噪声、管道气柱共振噪声、涡流噪声以及气缸的亥姆霍兹共振噪声等[5]。噪声沿进气系统向外传播，一部分从进气口向外辐射，另一部分将引起管道振动成为壁面辐射噪声。

图9 进气系统声学性能仿真分析的GT-Power系统图

（a）出气管等截面（b）出气管一端收口

图10进气系统声学性能仿真分析的GT-Power模型图

用于声学性能仿真分析的模型如图9所示，通过对两种不同结构参数的进气系统在GT-Power中进行一维声学仿真之后，得到的结果如图11、图12示。两种不同结构参数的进气系统声学性能仿真结果基本相似，之后以出气管等截面情况为研究分析对象。结合总声压级水平和频谱图可以看到，在3250rpm以及5000rpm时，4阶和6阶分别出现波峰，对应频率为325Hz附近。出气管一端收小后，各阶次的噪声水平稍有下降，但4阶和6阶噪声波峰仍然存在，而且总声压级水平也没有变化。

图11 进气系统（出气管等截面）各阶次声压级水平和频谱图

图12 进气系统（出气管一端收口）各阶次声压级水平和频谱图

对于进气系统的低频噪声峰值问题，有几种改进的方法，若修改进气系统模型，一方面工作量很大，而且在批量生产时需重新设计模具成本较大，因此本文采取方便且有效的在进气系统管道上加装消声元件消声部件的方法。

通过在进气系统出气管上加装1/4波长管使进气系统的声学特性得到改善，满足设计要求[6][7]。

图13 加装2根1/4波长管后的进气系统声学性能仿真分析GT-Power 系统图

图13为加装2根1/4波长管后的进气系统模型，出口管为等截面。加装2根1/4波长管，长

度分别为260mm和300mm，声学仿真结果如图14所示，4阶和6阶在320Hz附近波峰得到消除，且总体噪声水平得到明显改善，噪声水平下降最大8dB。

图14 加装2根1/4波长管后进气系统（出气管等截面）各阶次声压级水平和频谱图

4、进气系统噪声试验验证

汽车实际道路行驶虽然可以真实再现进气系统真实工况，但是声学量严重受外界干扰，可重复性差，并且测试信号不易获取，因此进气系统噪声试验在半消声室的低噪音两轴四驱转鼓上进行道路模拟。进行试验的半消声室本底噪音只有18dB（A），满足进气系统测试的各项要求。

使用麦克风来采集噪声信号，测试采用LMS Test lab旋转机械模块测试，具有实时性好、测试分析方便等优点。原进气系统和加装2根1/4波长管后的进气系统的实物如图15所示，试验状态和用于采集噪声信号的麦克风位置如图16所示。

图15 原进气系统和加装2根1/4波长管后的进气系统的实物

图16 进气系统的试验状态以及麦克风布置位置

试验结果如图17和图18所示。从图中可以看到，进气系统在3250rpm以及4700rpm时，4阶和6阶分别出现噪声波峰，对应频率为320Hz。加入1/4波长管后，消除了4阶和6阶在320Hz 处的波峰。这与仿真结果基本吻合，说明1/4波长管对于消除低频噪声峰值有明显效果。同

时总体噪声水平得到明显改善，噪声水平下降最大5dB ，与仿真结果相差3dB ，误差可以接受。

0.002000.00

1000500

1500100

200

300

400

600

700

800

900

1100120013001400160017001800

H z

S N K L :S (C

H 1).00

.00000000000000500500500500500250750250750250750250750250750

401150

607080

901011455565

7585

95102

A u to P o w e r S N K L :S (A ) W F 201 [1003.3-5998.3 rp m ]

320Hz

图17 进气系统（出气管等截面）各阶次声压级水平和频谱图

0.002000.00

1000500

1500100

200

300

400

600

700

800

900

1100120013001400160017001800

H z

S N K L :S (C H 1)

0.00

0.00000000000000500500500500500250750250750250750250750250750401150607080901011455565758595

102

A u to P o w e r S N K L :S (A ) W F 201 [998.61-5998.6 rp m ]

图18 加装2根1/4波长管后进气系统（出气管等截面）各阶次声压级水平和频谱图 下面将仿真与试验得到的总声压级水平列表进行比较，如表1所示。

表1 进气系统仿真与试验结果比较

3500400045005000 5500

进气系统总声压级水平仿真结果dB （A ）

105 103.7101.5

101.1 104 98.8

99 97.1

95 100 进气系统总声压级水平试验结果dB （A ） 注：A-出气管等截面；B -出气管等截面，加装2根1/4波长管。

从表中可以看出，各转速下对应的总声压级水平仿真结果整体上略大于试验结果，但趋势一致，而且两者在消除低频峰值和降低总声压级水平方面的结果吻合良好，因此仿真分析的结果可信，有一定参考依据。

5、 结论

利用Fluent和GT-Power软件对汽车进气系统的流场和声场进行三维数值分析，并与试验结果进行比较，得到如下结论：

1）流场分析中多孔介质一维模型可有效得代替滤纸，通过改变进气系统出气管道的结构参数，结果表明管道收口会引起局部流速过高，进而增大进气压力损失，而等截面的管道流场状态比较均匀。

2）在进气系统管道上加装1/4波长管，根据仿真和试验的各阶次噪声水平以及频谱图可得，该方法可有效消除低频峰值，改善进气系统声学性能。

3）通过试验验证，表明数值分析结果有较强的使用性和可靠性，可用于计算进气系统内部的流场和声学问题。

参考文献

1．Davies P. L, Piston Engine Intake and Exhaust System Design [J], Journal of Sound and Vibration, 1996, 190: 677-712

2．庞剑，谌刚，何华汽车噪声与振动——理论与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2006.06 3. Wang Fujun, Calculated Fluid Dynamic Analysis – CFD Software Principle and Application, Beijing, Tsinghua University Press, September 2004.

4．同济大学计算数学教研室．现代数值数学和计算．上海：同济大学出版社，2004

5．朱廉洁，季振林汽车空气滤清器声学性能数值计算及分析噪声与振动控制 2007年4月第2期

6．Virtual design and performance prediction of a silencing air cleaner used in an I.C. engine intake system* HAO Zhi-yong (郝志勇)?1, JIA Wei-xin (贾维新)??1, FANG Fang (方芳)2 7．贾维新，郝志勇空滤器声学性能预测及低频噪声控制的研究