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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@)
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。
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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