卡車制動管路氣流流動特性的數(shù)值研究

孫磊磊，李長青，王潔園

（1. 中國重汽集團(tuán)濟(jì)南商用車有限公司，山東 濟(jì)南 250220；2. 91206部隊，山東 青島 266100）

卡車制動管路氣流流動特性的數(shù)值研究

孫磊磊1，李長青1，王潔園2

（1. 中國重汽集團(tuán)濟(jì)南商用車有限公司，山東 濟(jì)南 250220；2. 91206部隊，山東 青島 266100）

借助計算流體動力學(xué)軟件Fluent 6.2.16對國產(chǎn)某重型汽車制動管路螺旋段內(nèi)部氣流流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，探究了管內(nèi)氣流的速度和壓力分布，并分析了入口壓力對管內(nèi)氣流流動特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)：流場內(nèi)氣流沿螺旋管軸心線作空間螺旋運動；流動過程中，氣流的壓力和密度降低，速度反之，在彎頭區(qū)靠近外壁處形成局部高壓；提高入口壓力可以提高螺旋管的出口壓力和氣流的質(zhì)量流量，但管路總壓損失增大。

制動管路；數(shù)值模擬；螺旋運動；總壓損失

螺旋管這一特殊管路結(jié)構(gòu)在工業(yè)中有著非常廣泛而重要的應(yīng)用。在氣壓制動系統(tǒng)中，由于受到布置空間的限制，常常將制動系統(tǒng)供能管路某一段卷繞成螺旋狀在車架上進(jìn)行固定。氣流在螺旋管內(nèi)流動時，受到管路結(jié)構(gòu)、流動阻力以及各種擾動的影響，壓力場、速度場分布極為復(fù)雜。目前，雖然國內(nèi)外學(xué)者對空間環(huán)形螺旋管內(nèi)分離流及流阻特性進(jìn)行了大量的研究，但專門針對卡車制動管路螺旋段內(nèi)部氣流流動特性的研究還不多見。本文采用計算流體動力學(xué)方法對國產(chǎn)某重型汽車制動管路螺旋管段內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬和計算，其結(jié)論可以為汽車制動系統(tǒng)的管路優(yōu)化設(shè)計提供可借鑒的方法和依據(jù)。

1 計算模型與數(shù)值計算方法

1.1 計算模型

圖1 計算模型示意圖

本文截取國產(chǎn)某重型汽車制動管路螺旋段內(nèi)部流場作為計算區(qū)域，計算模型示意圖如圖1所示。采用笛卡爾正交坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點定在入口截面圓心處，x-y坐標(biāo)面與入口截面重合，z軸正方向取入口截面外法線方向。螺旋管內(nèi)徑d=13mm，總長l=2000mm，螺距h=24mm，整段管路共有11個折彎，彎頭處圓管軸心線圓弧半徑R=40mm，曲率直徑比RC=R/d≈3。

1.2 控制方程

本文假定氣流在螺旋管內(nèi)的流動過程為絕熱過程，其滿足的主要方程式有：

同時，考慮到螺旋管內(nèi)部流場為包含有旋流的紊流場，氣流的流線不斷地發(fā)生彎曲和變形，決定采用可實現(xiàn)的k-ε湍流模型對計算區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬?？蓪崿F(xiàn)的k-ε湍流模型的兩個關(guān)鍵參數(shù)為湍動能k和湍流耗散率ε，其輸運方程參見文獻(xiàn)。

1.3 邊界條件

本文計算模型為單入口、單出口的等徑圓管，其邊界條件設(shè)定如下。

壓力入口邊界條件：將圓管入口壓力定為0.8MPa；

壓力出口邊界條件：圓管出口壓力定為當(dāng)?shù)卮髿鈮?01325Pa；

近壁處設(shè)為無滑移邊界條件，采用非平衡壁面函數(shù)進(jìn)行計算。

1.4 網(wǎng)格劃分

計算模型按照先面后體的原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分，入口截面采用四邊形/三角形混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，計算體網(wǎng)格由入口截面掃率而成，網(wǎng)格尺度均為1mm，劃分完成后的網(wǎng)格模型示意圖如圖2所示。

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格劃分效果圖

1.5 數(shù)值算法

依據(jù)有限體積法思想將控制方程在計算網(wǎng)格上離散，借助計算流體動力學(xué)（CFD）軟件Fluent 6.2.16進(jìn)行方程計算與求解。計算時，采用耦合隱式算法將流動方程和能量方程進(jìn)行聯(lián)合求解，計算精度采用二階迎風(fēng)格式。當(dāng)各參數(shù)的計算殘差接近10-4，同時進(jìn)出口的質(zhì)量流量保持不變且相對誤差小于0.2%時，認(rèn)為計算收斂。

圖4 不同位置處氣流速度沿管徑分布圖

2 結(jié)果與分析

2.1 內(nèi)部流場速度分析

氣流自螺旋管入口流入后受到螺旋管的導(dǎo)向作用作比較規(guī)則的空間螺旋運動（圖3）。

圖3 螺旋管內(nèi)氣流流線圖

流場內(nèi)部并未產(chǎn)生渦對和局部旋流場。當(dāng)氣流流入折彎區(qū)后，由于受到由折彎圓心指向外壁面的離心力，氣流開始向圓管凹面處匯聚，流線比較集中、密度較大。流出折彎區(qū)后，氣流逐漸向圓管軸心處主流區(qū)擴(kuò)散和膨脹，流線分布均勻，密度降低。

為便于對計算域內(nèi)氣流場進(jìn)行數(shù)值分析，將螺旋管內(nèi)部流場沿軸線方向均分為五段，分別對經(jīng)過入口、出口和相鄰兩段相交面圓心且平行于x坐標(biāo)軸的管徑上的速度進(jìn)行計算和比較，結(jié)果如圖4所示，圖中L為測量截面與流場入口之間的距離。

由圖4可以看出，在螺旋管入口截面和出口截面上氣流速度沿管徑方向均勻分布，螺旋管出口截面上氣流速度明顯高于其他截面，氣流呈現(xiàn)充分發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

在螺旋管內(nèi)部，由于氣流受到彎頭的強(qiáng)制轉(zhuǎn)向作用以及氣流質(zhì)點之間存在強(qiáng)烈的脈動現(xiàn)象，氣流速度沿管徑方向分布具有波動性，但總體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。這是因為氣流受流動前后壓差產(chǎn)生的推力大于受到的粘性阻力和彎頭阻力，從而在螺旋管內(nèi)作加速流動，流動過程中損失的壓力能則轉(zhuǎn)化為流體的動能和內(nèi)能。螺旋管出口截面中心主流域氣流速度已經(jīng)接近或達(dá)到臨界音速。

2.2 內(nèi)部流場壓力分析

圖5為螺旋管內(nèi)部流場的壓力云圖。

圖5 計算區(qū)域內(nèi)氣流壓力分布云圖

由圖可以看出，氣流高壓區(qū)主要位于螺旋管入口段和折彎區(qū)內(nèi)。由于存在壓力損失，氣流壓力沿流動方向逐漸降低。折彎區(qū)內(nèi)，受到離心力作用的氣流在彎管凹面區(qū)內(nèi)堆積，流層之間存在擠壓和變形，使氣流壓力和密度增大；但當(dāng)氣流流入直線段后，由于受到的阻力減小，氣流開始由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動和擴(kuò)散，此時氣流壓力分布均勻，壓力損失較小。

2.3 入口壓力對管內(nèi)氣流流動特性的影響

螺旋管入口壓力分別為0.8MPa和1.0MPa時，管內(nèi)氣流的速度變化如圖6所示。

圖6 入口壓力變化時，不同位置處氣流速度沿管徑分布變化圖

可以看出，當(dāng)入口壓力由0.8MPa升高到1.0MPa時，氣流的速度略有增加但并不明顯。這可能是因為入口壓力為0.8MPa時，出口速度已經(jīng)達(dá)到或接近臨界聲速，即螺旋管總長已近接近甚至超過了氣流不發(fā)生流動阻塞的最大管長。繼續(xù)增大入口壓力，氣流的阻塞效應(yīng)加劇，但速度不會升高。入口壓力為1.0MPa時，出口截面上的速度損失可能是因為氣流在出口處產(chǎn)生的激波效應(yīng)造成的。

圖7為流場入口壓力由0.8MPa升高到1.0MPa時，氣流密度曲線變化圖?？梢钥闯觯岣呷肟趬毫?，可以明顯增大氣流的密度，即可以提高氣流的單位時間流量。在汽車制動系統(tǒng)中，常常因為多次反復(fù)制動而使系統(tǒng)壓力過低，或者在某些應(yīng)急狀況下需要迅速產(chǎn)生制動效應(yīng)，此時需要及時、快速地對制動系統(tǒng)充氣。增大制動系統(tǒng)供能管路的單位流量可以有效縮短氣體的填充時間，降低制動器的壓力建立時間和制動響應(yīng)時間。

圖7 入口壓力變化時，不同位置處氣流密度沿管徑分布變化圖

螺旋管出口壓力及管路總壓損失受入口壓力變化的影響如表1所示。由表1可以看出，流場入口壓力升高可以同時提高螺旋管出口壓力，但流場內(nèi)氣流的壓力損失也會增大。當(dāng)入口壓力升高0.2MPa時，出口壓力相應(yīng)增加0.138MPa，即氣流的總壓傳遞效率為69%,總壓損失主要轉(zhuǎn)化為氣體的動能和內(nèi)能，使氣流的速度和溫度升高。

表1 流場出口壓力、總壓損失與入口壓力的對應(yīng)關(guān)系

3 結(jié)語

本文通過對國產(chǎn)某重型汽車制動系統(tǒng)供能管路內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬和計算，得到如下結(jié)論：氣流在螺旋管內(nèi)流動時，沿管軸心線作比較規(guī)則的空間螺旋運動，流線的彎曲和變形主要發(fā)生在彎頭區(qū)；流動過程中，氣流的速度逐漸增大并在出口處達(dá)到或接近當(dāng)?shù)芈曀?；氣流的壓力和密度逐漸降低，氣流的壓力損失主要轉(zhuǎn)化為流體的動能和內(nèi)能；增大螺旋管的入口壓力可以同時提高流場的出口壓力和氣流的質(zhì)量流量，但會增大管路的壓力損失。

[1]王志國. 螺旋管氣液兩相流數(shù)值模擬[D].中國石油大學(xué),2007.

[2]Shaukat Ali. Pressure drop correlations for flow through regular regular helical coil tubes[J].Fluid Dynamics Research,2001,28(4)-295-310.

[3]王福軍. 計算流體動力學(xué)分析: CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2004.

[4]韓占忠,王國玉.工程流體力學(xué)基礎(chǔ)[M]. 北京:北京理工大學(xué)出版社, 2012.

U461.3

A

1671-0711（2017）04（下）-0154-03