李澤宇

中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司，天津300462)

0 引言

目前，為應對排放和油耗法規(guī)日益嚴格的要求，汽油機正向小排量、渦輪化的方向發(fā)展。排氣歧管是發(fā)動機排氣系統(tǒng)的重要部件之一，設(shè)計中應關(guān)注其內(nèi)部流場狀態(tài)，重點關(guān)注氧傳感器位置的合理性、催化器載體入口速度均勻性以及整體壓降性能，前兩者影響排放性能，而排氣壓降則與油耗性能密切相關(guān)[1]。

CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學)，原理是將現(xiàn)實中連續(xù)的流體域離散化后通過數(shù)值計算的方法求解流動的微分方程。相比試驗方法，成本更低，周期更短。采用CFD方法可以在前期高效地指導排氣歧管零部件的流場設(shè)計，但為了保證其計算結(jié)果準確性，需要選擇正確的計算模型和方法，本文作者討論了流體可壓縮性模型對于排氣歧管流場的計算準確性影響，并對指導設(shè)計的判斷依據(jù)進行了探討。

1 計算模型

計算模型為圖1所示的某2.0T發(fā)動機的集成式排氣歧管。目前先進的發(fā)動機采用集成式排氣歧管的設(shè)計，可以更有效地利用排氣能量進行渦輪增壓并能提高暖機速度[2]。計算模型包括各氣缸排氣口、兩個氧傳感器、TWC(三元催化器)和GPF(顆粒捕捉器)，模型保留了渦輪增壓的流道，但不對內(nèi)部的渦輪扇葉進行計算。計算模型通過抽取幾何數(shù)據(jù)氣流流動的內(nèi)表面獲得。文中算例采用成熟的商業(yè)CFD軟件STAR-CCM+進行流動求解，STAR-CCM+同時還具備強大的前處理和網(wǎng)格生成、檢查功能，對于質(zhì)量較好不需要進行幾何清理的排氣歧管模型，完全可以使用該軟件完成從前處理、計算求解到后處理的全部工作。

圖1 排氣歧管模型

2 CFD計算流程

2.1 網(wǎng)格生成

利用STAR-CCM+軟件強大的網(wǎng)格處理功能，將數(shù)據(jù)導入后即可生成三角形的面網(wǎng)格。檢查面網(wǎng)格符合軟件計算要求后，采用多面體網(wǎng)格方案對計算的流體域進行離散，經(jīng)驗證網(wǎng)格大小設(shè)置為2 mm可以比較準確地反映幾何特征，并在此基礎(chǔ)上生成2層共0.8 mm厚的邊界層網(wǎng)格，以提高近壁面流場計算的準確性，入口和出口設(shè)置拉伸網(wǎng)格以穩(wěn)定流動，提高計算收斂性。TWC和GPF部分單獨處理為Trim網(wǎng)格，網(wǎng)格大小同樣為2 mm，與主流區(qū)域保持一致。最終體網(wǎng)格數(shù)量為150萬左右，符合工程計算能力的同時，也能保證計算精度。

2.2 求解模型

根據(jù)排氣歧管內(nèi)部流場的關(guān)注內(nèi)容，采用穩(wěn)態(tài)計算方法可以定量地評價其性能，湍流模型采用適用范圍較廣的Realizableκ-Epsilon模型，使用二階求解精度進行計算[3]。

在流體力學中，一般認為馬赫數(shù)Ma>0.3時需要考慮流體的可壓縮性[4]。排氣歧管中排氣溫度較高且存在變化，粗略估計其Ma一般在0.3左右，分別采用可壓縮模型和不可壓縮模型計算驗證其對于結(jié)果的影響，采用不可壓縮模型時使用分離隱式求解器計算，而采用可壓縮模型時使用耦合隱式求解器獲得更穩(wěn)定的收斂。

2.3 邊界條件

分別計算4個工況，對應1～4缸各排氣口分別打開、其他排氣口關(guān)閉的狀態(tài)。采用質(zhì)量流量定義入口，計算全功率點的工況，流量定為730 kg/h，排氣溫度1 123 K，不可壓縮模型中氣體密度根據(jù)排氣溫度定為0.315 kg/m3，動力黏度4.55×10-5Pa·s；可壓縮模型中排氣密度隨計算溫度變化，動力黏度根據(jù)薩特蘭定律確定。對于TWC和GPF，采用多孔介質(zhì)進行模擬，根據(jù)試驗測定結(jié)果設(shè)置其慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)。

2.4 收斂準則

計算的收斂性判斷通常根據(jù)殘差值確定，一般要求小于10-3，但STAR-CCM+軟件的殘差統(tǒng)計特點導致某些殘差值經(jīng)常不能降低到該水平。因此一般認為計算的最后500步中，如果監(jiān)測的物理量都收斂到了計算需求的精度，且殘差已經(jīng)穩(wěn)定，則認為計算已經(jīng)收斂。在該案例中，不論是可壓縮計算方法還是不可壓縮計算方法，在5 000步時計算都已經(jīng)收斂。

3 計算結(jié)果

3.1 排氣歧管內(nèi)流場基本參數(shù)對比

管路內(nèi)流場計算一般都會關(guān)注整體壓降以及管路內(nèi)部的速度分布，可以表示計算結(jié)果的總體特征，并驗證計算的合理性。

3.1.1 壓降計算結(jié)果對比

壓降是排氣歧管設(shè)計中的一項重要指標，因為排氣歧管的壓降損失是排氣損失的重要組成部分，進而對發(fā)動機熱效率和油耗性能產(chǎn)生影響。在實際計算中壓降通常也作為判斷是否達到收斂要求的依據(jù)?？蓧嚎s模型與不可壓縮模型的整體壓降對比如表1所示。

表1 計算結(jié)果-壓降對比

從表1可以看出：采用可壓縮方法進行計算時，整體壓降相對于不可壓縮方法都顯著下降，但各工況的相對偏差趨勢一致。造成這種現(xiàn)象的原因?qū)⒃谙乱恍」?jié)討論。

3.1.2 流場密度對比

可壓縮計算模型最重要的特點是采用了理想氣體模型并加入能量方程，使得密度隨計算進行求解，對于預測Ma大于0.3的流動更加準確。以氣缸1排氣工況為例，圖2顯示了流場內(nèi)部截面上的密度變化，可以看出流場出口處密度趨于0.32 kg/m3左右，與不可壓縮模型的計算設(shè)置較為接近，但在渦輪通道的位置，密度變化的范圍很大。圖3則是可壓縮模型的Ma分布云圖，出口處的Ma已經(jīng)超過0.3，而渦輪通道內(nèi)Ma更高。綜上所述，當計算帶有渦輪通道的集成式排氣歧管時，采用可壓縮算法是十分必要的。

圖2 可壓縮計算模型內(nèi)部密度云圖

圖3 可壓縮計算模型內(nèi)部Ma云圖

3.1.3 流場速度對比

速度是流場的重要標量之一，可以反映模型計算結(jié)果的特點。仍然以氣缸1排氣工況為例，通過如圖4所示的截面速度對比可以看出，速度分布最明顯的差異也集中在渦輪通道部分，同時也會影響到下游的多孔介質(zhì)區(qū)域，對出口附近流場影響不大。

圖4 流場內(nèi)部截面速度分布對比

3.2 排氣歧管設(shè)計性能指標對比

排氣歧管設(shè)計時需要考慮氧傳感器位置合理性以及催化器載體入口的均勻性，一般采取定量與定性結(jié)合的方法進行分析。

3.2.1 氧傳感器位置合理性分析

氧傳感器位置的合理性主要通過其表面最大速度判斷，有學者采用氧傳感器表面速度大于100 m/s即為合格的標準[5]，文中則采用速度比vratio=vsensor/vsurface作為標準，其中，vsensor為氧傳感器表面最大速度，vsurface為氧傳感器附近截面平均速度。采用這樣的標準是因為排量較大時，速度絕對值并不能真實體現(xiàn)氧傳感器位置合理性。圖5和圖6分別是氧傳感器1、2表面與其所在截面的速度云圖。

圖5 氧傳感器1及所在截面速度云圖

圖6 氧傳感器2及所在截面速度云圖

對比速度云圖可以看出，模型可壓縮性對計算的影響主要體現(xiàn)在氧傳感器1部分。這是因為氧傳感器1更加靠近渦輪通道，氣流速度快，受影響更大，氧傳感器2位于TWC之后，氣流經(jīng)過后速度變慢，流場也更加均勻。表2和表3分別是氧傳感器1和2的速度比率，可以看出對于氧傳感器1，可壓縮模型的計算結(jié)果相對偏小，達標風險大，而對于氧傳感器2，速度比率結(jié)果反而相對偏大。如果氧傳感器1采用氧傳感器表面速度大于100 m/s的判定標準，可以輕易達標，但經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)可壓縮模型下氣缸1、3、4的速度比率都不足0.8，說明排氣歧管設(shè)計尚有優(yōu)化空間，氧傳感器2在兩種計算模型下都能比較輕易地達標。因此設(shè)計中應重點考慮位于流場速度較快、穩(wěn)定性較差區(qū)域的氧傳感器布置位置。

表2 氧傳感器1速度比率

表3 氧傳感器2速度比率

3.2.2 催化器載體入口速度均勻性分析

催化器入口的速度均勻性對于提升催化器的反應效率和耐用性都有很大影響。可定義催化器入口速度分布均勻性系數(shù)UI=1-ΣAi|ui-uaverage|/2ΣAiui， 其中:ui是各單元點速度，uaverage是入口平均速度，Ai是催化器入口速度分布的面積。表4和表5分別是TWC和GPF的入口速度均勻性系數(shù)計算結(jié)果。

表4 TWC載體入口UI計算結(jié)果

表5 GPF載體入口UI計算結(jié)果

圖7和圖8分別是TWC和GPF入口速度云圖，靠近渦輪通道的TWC入口速度分布差異明顯。采用可壓縮模型計算時速度均勻性更易達標，這可能主要是因為可壓縮模型的整體流速較小，流場更均勻。而位于TWC之后的GPF入口，因經(jīng)過催化器后流速較慢，兩種計算方法的分布特點類似，計算結(jié)果也較為相似。

圖7 TWC入口速度云圖

圖8 GPF入口速度云圖

4 結(jié)論

通過對帶渦輪增壓通道的排氣歧管計算，討論了可壓縮模型對于計算結(jié)果的影響，結(jié)論如下：

(1)具有渦輪結(jié)構(gòu)的集成式排氣歧管局部流速很快，體現(xiàn)較強的可壓縮性，不可壓縮模型對局部密度估計過小，造成速度偏大，壓損也相應偏大很多，流場分布差異明顯，應采用可壓縮模型進行計算；

(2)可壓縮模型會使氧傳感器評價指標變差，且對于大排量的排氣歧管考慮氧傳感器表面最大速度與當?shù)厮俣戎?，比單獨考慮氧傳感器表面最大速度更為合理；

(3)可壓縮模型對于催化器入口速度均勻性的計算結(jié)果要好于不可壓縮模型，且對于緊耦合布置的第二級催化器或顆粒捕捉器，可壓縮模型對計算結(jié)果的影響較小。