本文采用CFD技术，通过建立进气系统的网格模型，选择k-zeta-f湍流方程，定义稳态边界条件，搭建多孔介质模型，对某汽车进气系统的内流场进行分析研究，得到了进气系统的压力场与速度场分布，并对空滤前后的气流分布进行了评估。

进气系统是汽车的重要组成部分，其性能影响着发动机和整车的性能。进气系统设计不合理将会导致进气阻力较大，从而进气量变小，发动机性能下降。另外，进气阻力的增大，还会造成系统内部真空度变大，这样对系统各接口密封性的要求更高，当不能完全满足密封条件时，渗入而未经空滤过滤的气体进入气缸，可能造成气缸磨损，缩短气缸使用寿命。

本文对某汽车进气系统进行CFD计算，得到其压力场及速度场的分布图，并对气体流经空滤前后的分布进行分析，为进气系统的合理设计提供理论依据。

CFD分析过程

1.划分计算网格

划分网格的目的实际上是对计算区域进行离散化。网格质量对于计算精度和效率有着极为重要的影响。

划分网格时，在物理平面上的网格划分应适应物理区域中参量的变化情况，在变化剧烈的地方网格要划得稠密些，而在变化平缓处则可以适当的稀疏一些。这样，可在同等计算精度的前提下，减少网格数，缩短计算时间。另外，从边界条件离散化的角度来看，网格线应尽量与物理区域的边界线正交，以利于边界值的计算，且能防止网格畸变，提高计算精度。

本文使用AVL-FIRE进行分析，通过前处理器FAME生成以六面体为主的计算网格（见图1），网格总数约为210万。

2.设置求解参数

采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。设定管内空气流动为可压缩粘性湍流流动，空气为理想气体，湍流模型为k-zeta-f方程，使用混合壁处理描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y+值在11～200之间。

3.设置边界条件

计算主要采用稳态计算模式，进口采用流量边界条件，进口流量为0.138kg/s，进口温度为25℃，出口则采用静压边界条件，静压值为93kPa。

4.设置多孔介质

考虑到空气滤清器的滤芯本身的几何结构（多孔的滤纸），将其简化成非定向的多孔介质模型。流过滤芯的压力降通过Forchheimer friction模型计算。多孔介质的相关流动参数（水力直径等）由用户定义，压力降通过用户指定粘性损失系数和惯性损失系数来确定，而这两个系数是根据供应商提供的流过滤芯的气流流量和压力降的数据来确定的。

5.设置收敛条件

判断收敛性的流行方法就是要求残差值减小到四阶量级以下，即小于10-4。但是残差定义对于某一类问题是有用的，但是这种要求在很多情况下，可能是不合适的。因此，最好的方法就是不仅用残差来判断收敛性，而且还要监视诸如出口压力、流量和温度等相关的量。

结果分析

1.评价指标

对于空滤而言，进入其中的气流分布越均匀，则过滤效果越好，而评价气流分布均匀的指标就是速度均匀性系数，公式如下：

其中，Ai表示单元面积；A表示整个出口的面积；ui表示单元的速度； 表示平均速度；通常 值在0～1之间，值越大表示均匀性越好。

2.计算结果

（1）总压计算

图2所示为进气系统总压分布。由图可知，整个进气系统的总压降为5380Pa，而滤芯的总压降则为2970Pa，这两个值都远小于一维性能的预测结果（一维进气系统总压降7380Pa，滤芯压降3200Pa），从发动机性能的角度来说，这个压力损失是可以满足要求的，因此计算结果可以接受。

（2）速度场计算

图3所示为进气系统速度分布。由图3可知，在进口后转弯处，出现明显的流动分离，在其它弯曲的地方也有类似的现象。对于任何一个弯管，转弯处出现流动分离都是不可避免的。由于布置原因，管路必须弯曲。由于前面计算的总压降较小，所以此处的流动分离引起的压力损失可以接受。

图4所示为空滤器内部速度矢量图，由于滤芯的原因，气流进入空滤后，虽然由于流动分离导致气流较为混乱，但是进入滤芯后，由于滤芯的阻尼作用，流动变得均匀起来。这样保证了流入进气歧管的气流是均匀的。

（3）均匀性系数计算

由计算结果可知，滤芯前端的均匀性系数为0.82，均匀性一般，但是对于滤芯来说，后端的均匀性系数更重要，因为它关系到流向进气歧管的气流是否均匀，而计算得到滤芯后端的均匀性系数达到0.98，而我们的评价指标为0.85，因此，这是一个很理想的水平。图5、图6所示为空滤前端和后端的气流速度分布。

结语

本文通过对汽车进气系统进行仿真分析，得到了内流场的气流分布，无论是压力分布还是速度分布都满足要求。此外，还计算了空滤前后的速度均匀性系数，其中前端的均匀性系数尽管不高（仅为0.82），但是后端的均匀性系数水平更重要，因为它关系到进入进气歧管的气流是否均匀，而后端均匀性系数达到0.98，远远超过0.85的评价标准。总体来说，该进气系统设计满足要求。