张传谦，刘鑫明，孟国庆，蒋　正

客车进气系统阻力的Flue nt分析

张传谦，刘鑫明，孟国庆，蒋正

（中通客车控股股份有限公司，山东 聊城252000）

利用Fluent对客车进气管路内部流场进行模拟，计算进气系统中压力损失。结果表明，利用Fluent模拟得到的结果与实验结果的误差为4.13%，能够快速、准确地计算进气管路阻力值，从而在设计之初合理评估进气系统阻力，确保进气系统设计成功率。

Fluent；压力损失；进气系统；阻力；模拟

1　客车进气系统简介

把空气或混合气导入发动机气缸的零部件集合体称为发动机进气系统。如图1所示，客车发动机进气系统指的是发动机增压器前的进气系统，包括空滤后进气管路、空滤器、进气阻力报警装置等底盘进气部分和车身进气罩（进气盒）、空滤前进气管路、进气预滤器等车身进气部分［1］。

布置客车进气系统时，要求进气系统装备所有附件，发动机在最大进气流量下，进气系统总阻力不得大于发动机技术参数表上规定的限值，因为进气阻力的大小将直接影响发动机功率的发挥［2］。进气系统的总阻力包括管路（包括空滤前进气管路和空滤后进气管路）的阻力、空滤器本身的阻力及进气帽（顶部进气时）的阻力之和。空滤器本身阻力和进气帽阻力可以在供应商技术资料中查得。因此，在空滤器本身阻力和进气帽阻力一定的条件下，合理优化管路设计，也可有效减少进气系统阻力值。

进气管路的阻力取决于大量的可变因素，其中包括管的形状、输送管道的光滑程度、挠性接头型式、管尺寸、进气口的外形以及弯管型式［3-4］。在整个管路初步设计完成后，应粗略计算管路的总阻力，进而计算整个进气系统的总阻力，与发动机所要求的最大进气阻力相对照，从而确定进气系统的最终设计方案。

进气管路阻力的计算有很多方法，如经验公式法、查表法等［5］。但是在具体设计中，因为布置空间的限制，进气管路的走向往往很复杂，以上两种方法很难解决。例如，LCK6183RGCK3客车进气管路的阻力利用以上两种方法就很难估算。针对这种情况，使用CFD商业软件Fluent对管路内部流场进行模拟，并将计算结果与实验结果进行对比，判断数值模拟的可靠性，进而提供一种更加便捷、准确的估算进气管路阻力值的方法。

2　进气管路阻力的Fluent计算

2.1建立几何模型及网格划分

该车底盘部分进气系统安装示意图如图2所示。由图2可知，空滤后进气管路由两根胶管和一根不锈钢管通过T型卡箍连接而成。

不锈钢管插入胶管部分大约为50 mm，忽略插入损失和不必要的角度，通过CATIA三维建模，得到进气管路的三维几何模型，如图3所示。整个管路中心线位于Z=0平面上，以空滤器出气胶管φ150 mm直径一端作为入口，空气流向沿X轴负方向，以发动机进气胶管中φ125 mm直径一端作为出口，空气流向沿Y轴负方向。

采用GAMBIT进行有限网格划分。为了充分模拟固体壁面附近的边界层流动，在靠近壁面的地方设置边界层网格。网格数目为302 592个，图4是网格划分后的示意图。

2.2流动模型及边界条件的设定

1）进气管路中空气流态的判别。该车采用韩国斗山GL11K发动机，根据发动机参数表，发动机最大进气质量流量为1 272 kg/h。40℃时，空气的密度为1.12 kg/m3，动力粘度u=1.92×10-5Pa·s，计算得其体积流量V=1 136 m3/h［6］。当进气管路入口直径D=150 mm时，假设管路中空气为不可压缩流体，则入口处空气流速：

v=V/π（D/2）2=17.9 m/s

当空气中声速c=340 m/s时，管内流体马赫数为

Ma=v/c≈0.053＜0.3

根据流体力学知识，当研究Ma＜0.3低速气体的流动规律时，可以将气体看作与液体一样的不可压缩流体处理［7］。流体的雷诺数为

Re=vD/θ=17.9×0.150/1.76×10-5=1.5×105≫2 320式中：v为管路入口处空气流速，m/s；D为管路直径，m；θ 为40℃时空气运动粘度，1.76×10-5m2/s。

由此可见，进气管路中的流动为湍流流动。Fluent计算时，需要利用湍流模型进行计算。

2）湍流模型的选择。文献［6］通过使用Fluent软件的RNGk-ε湍流模型，对大曲率圆形截面弯管内部流体进行三维数值模拟，将数值模拟结果与相关文献实验结果进行对比。结果表明，RNGk-ε湍流模型对具有二次流的湍流流动具有较好的模拟，计算结果与实验结果吻合较好［7］。

标准k-ε模型用于强旋流或带有弯曲壁面的流动时，会出现一定失真，为此出现了k-ε模型的两种有影响的改进方案：RNGk-ε模型和Realizable k-ε模型。RNGk-ε模型通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，如通过修正湍流粘性系数，考虑平均流动中的旋转及旋流运动情况，在ε方程中增加了一项反映主流的时均应变率。这样，RNGk-ε模型中产生项不仅与流动情况有关，而且在同一问题中还是空间坐标的函数，从而可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动［8-9］。因此，本文的仿真计算模型也是选用RNGk-ε模型。

现有计算流体力学求解计算中用得较多的数值方法有有限差分法、有限元法和有限体积法，Fluent所采用的是有限体积法，其对流场迭代求解的方法主要有SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法等。有限体积法的区域离散实质上是把计算的区域划分为许多个互不重叠的子区域，并确定每个子区域的节点位置和该节点所代表的控制体积。在离散的过程中，将一个控制体积上的物理量定义并存储在节点上［10］。本文选用SIMPLE算法。

3）边界条件的设定。入口的边界条件选择速度入口边界条件，入口速度为17.9 m/s，方向沿X轴负方向，垂直于入口截面。湍流强度T=0.16×Re-1/8=0.036［11］。对于全充满管路的流体，其当量直径即为管路的直径de=D=150 mm。出口边界条件选择自由出流边界条件。壁面选择为无滑移壁面。

2.3计算结果分析

计算500步后，已收敛，自动停止运算；整体分析。图5为Z=0截面上压力分布图。如图5所示，进气管路中，随空气的流动，压力逐渐降低，发动机进气胶管部位产生较大的负压，因此，在设计进气胶管时，要保证进气胶管不被吸瘪［12］。

图6为Z=0截面气流速度分布图。如图6所示，由于管路折弯较大，在U型入口处，产生较大涡流，对照图5可知，在此位置气流压力损失也是最大的。

图7给出了进出气口质量流量值。可以看出，进出气口质量流量相等，符合质量守恒定律。

利用面积加权平均，计算管路的总压损失［13］。一个量的面积加权平均是将选择的场变量和小面面积相乘得到乘积，然后将乘积相加，之后再与总的表面积相除得到。

如图8所示，计算得该管路的总压损失为P1= 1 545.9 Pa

2.4计算结果与实验结果的比较

根据韩国斗山GL11K发动机参数表，在最大进气量下，发动机允许最大进气阻力为300 mmH2O。该车型最初选用上海弗列加AH24196空滤器，其最大进气量为1 500 m3/h。按环境温度为40℃计算，发动机最大进气体积流量为1 136 m3/h。查空滤器的流量流阻曲线图（图9），可得到当体积流量为1 136 m3/h时，该空滤器的进气阻力值为P2=1 620 Pa。

忽略其他影响因素，将底盘部分进气系统阻力简化为空滤器阻力与管路阻力之和，得到底盘进气系统总阻力：

P=P1+P2=1 545.9+1 620=3 165.9 Pa=322.8 mmH2O

2012年6月14日，中通客车邀请韩国斗山发动机应用工程师对该车型发动机性能进行检测，并出具检测报告。报告部分结果如表1所示。

表1　斗山发动机检测报告

报告显示，该车型进气系统阻力过大。前两次实验是连接车身进气管路部分测得的值，第三次实验是拆除车身进气管路后所得到的实验值。利用Fluent模拟得到的阻力值与实验值比较接近，误差为4.13%。这表明，利用Fluent可以很好地模拟进气系统的压力损失，在整车设计之初便可对进气阻力进行估算，进而尽早地提出解决方案，而不是到实验结果出来以后再进行改造，减少设计成本。

3　结束语

使用Fluent对进气管路内部流场进行模拟，计算进气管路压力损失，进而在整车设计之初对进气系统的阻

力进行估算，是一种更加便捷、准确的估算进气系统阻力的方法。这对底盘动力系统的优化设计以及降低设计成本和缩短生产周期具有重要意义。

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修改稿日期：2014-09-21

Analysis on Resistance for Bus/Coach Intake System with Fluent

ZhangChuanqian，Liu Xinming，MengGuoqing，JiangZheng
（ZhongtongBus HoldingCo.，Ltd，Liaocheng252000，China）

According to the field simulation of the bus/coach inlet pipeline with Fluent，the authors calculate the pressure loss of the inlet system.The result shows that there is only 4.13%error between the simulation result and the experiment result.So the Fluent simulation can rapidly and accurately calculate the resistance of the inlet pipeline.Thereby the authors can reasonably evaluate the inlet system resistance during the design stage in order to ensure the success ofthe inlet systemdesign.

Fluent；pressure loss；intake system；resistance；simulation

U464.134+.4

B

1006-3331（2015）01-0035-03

张传谦（1989-），男，助理工程师；主要从事客车动力系统设计。