基于仿真的空滤出气口圆角尺寸对流阻的影响

马静静，徐 磊

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

引言

空滤的流阻值是主机厂考察空滤方案是否满足的一个关键指标，如何降低流阻也就成为空滤方案优化的一个重要考虑因素。对于大多数空滤方案[1]，通常都需要进行降低流阻优化，而降低流阻最明显的方案就是改变空滤结构，但同时也会带来数模的重复修改，增加一定的工作量，所以既减少数模的大规范修改，又能起到降低流阻的方案是目前探讨的方向。修改空滤出气口圆角相对比较容易操作，同时也会对流阻产生一定影响[2]。本文基于仿真分析的方法，论述空滤出气口圆角对流阻的影响。

1 确定方案

本文以某主机的概念空滤为模板，对空滤出气口进行圆角修改，通过CFD计算分析，得出虚拟流阻值。空滤模型容积为6 L，进出口直径均为70 mm，额定流量0.12 kg/s。图1为出气口无圆角的空滤方案。

图1 空滤方案三维模型

表1为出气口圆角修改方案和修改位置，其中圆角方案分为R1、R3、R5、R7，通过圆角尺寸的递增来探寻流阻变化的趋势。

表1 出气口位置圆角方案

2 计算过程

模型计算采用流量进口、压力出口边界，流体材质默认为空气。模型的计算过程一般包括几何处理、网格划分、计算设置、结果处理几个步骤[3]。如图2所示。

图2 计算分析过程图示

3 结果分析

经过计算后的流阻值见图3流阻曲线图所示，出气口位置增加圆角后流阻降低。随着圆角尺寸越大，流阻降幅越大。

图3 各方案流阻值曲线图 （单位：Pa）

图4 为相邻方案的流阻降幅变化线性图，即圆角尺寸每增加2 mm对应的流阻变化。可见增加R1圆角后流阻降低59 Pa，从R1增加到R3后流阻降低33 Pa，从R3到R5流阻降低29 Pa，从R5到R7流阻降低22 Pa，可以看出随着圆角增加，流阻降幅变化趋势下降。

图4 流阻降幅变化曲线 （单位：Pa）

从流阻降低曲线看，随着圆角增大，流阻降幅越大，但增加到一定值后，流阻变化不明显。增加圆角会对气流起到导向作用，使气流过度平滑，从而使流阻降低。对于出气口位置安装流量传感器的空滤来说，出气口的速度均匀性更是关键参数。

为方便对出气口位置的流体速度分布进行分析，运用CFD后处理软件对空滤和出气管进行了剖面速度云图显示[4]，图5为空滤出气口截图说明，其中A为空滤延长管部分，B为空滤测量管，C-C为空滤出气口横截面，D为空滤部分。表2中展示了出气管道和出气口横截面的速度云图，其中出气管道速度云图为A.B.D部分的剖面显示，出气口横截面云图就是空滤出气口C-C的速度显示。

图5 空滤出气口截图位置

从表2各方案的速度云图可以看出，由R1圆角到R7圆角，随着圆角尺寸增加，出气管道中气流越均匀，如图中R1方案出气管中，上层为红色区域，下层为橙色区域，上下层分层明显，表示管道上层气流速度大，下层气流速度小。从出气口的横截面速度云图也可以看出相同结论，随着圆角增大，出气口（圆形）截面云图中红色区域面积增大，代表通过出气口截面的气流更加均匀，截面的上下部分气流流速基本一致。

表2 空滤出气口速度云图

如图6为软件计算得出的速度均匀性系数曲线，更加直观地论证了出气口均匀性的变化趋势。出气口截面的速度均匀性系数基本呈线性变化。R7方案的出气口速度均匀性系数为0.940 6，依次大于R5、R3、R1、无圆角方案的速度均匀性系数。

图6 空滤出气口截面的速度均匀性系数曲线

4 结论

本文通过对无圆角、R1、R3、R5、R7五种空滤方案的流体仿真分析，计算得出了各方案的流阻值、速度云图以及 出气口位置的速度均匀性系数。通过对流阻变化趋势分析、空滤出气口的速度云图和速度均匀性系统对比，可以得出以下结论：

（1）从流阻变化趋势可以得出，在空滤出气口位置添加圆角，可以降低流阻；

（2）从流阻变化趋势可以得出，圆角尺寸越大，空滤流阻降幅越大；

（3）从流阻变化趋势可以得出，随着圆角尺寸增大，空滤流阻变化趋势降低；

（4）从空滤速度云图可以得出，圆角尺寸越大，出气口位置速度均匀性越好。