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原文传递基于流固耦合的重型卡车前进气系统流场特性及结构优化研究

论文题名：	基于流固耦合的重型卡车前进气系统流场特性及结构优化研究
关键词：	重型卡车;前进气系统;流场特性;结构优化;流固耦合
摘要：	随着全球变暖日益严重，环境保护已经成为全世界的主要使命之一。汽车的尾气排放是造成环境污染的重要一环，近年来汽车的保有量不断提升，重型卡车（重卡）作为汽车的重要分支，是公路运输的主力军。重卡前进气系统是重卡发动机进气系统的重要组成部分，是发动机进气的第一道屏障，为发动机吸入清洁且均匀的空气和低压力损失保驾护航，对发动机的工作效率、使用寿命和低污染排放具有十分重要的影响。本文根据重卡前进气系统的实际结构和工作条件，构建了前进气系统三维模型和有限元分析模型，以提高过滤效率，减小压力损失为目的，对基于流固耦合和离散相（DPM）模型的重型卡车前进气系统的流场特性进行研究，并进行结构优化。　　对前进气系统进行数学建模，得到其双向流固耦合场的控制方程；构建了前进气系统的三维几何建模，运用Ansys Workbench中的流体分析模块（Fluent）和瞬态结构分析模块（Transient Structural），分析在不同工况下其流体域的压力场和速度场等分布特性；用离散相模型对进入前进气系统的灰尘颗粒进行两相耦合分析，描述颗粒在前进气系统内的运动轨迹和速度分布情况，并对不同粒径颗粒的过滤效率进行统计；通过对前进气系统的单结构性能分析，得出进气栅格和扰流板处的压降较大，进入前进气系统未受到扰流板的导流作用的气流，更容易出现旋流和回流等现象的。前进气系统的储灰能力不足，导致被内壁面吸附的颗粒容易发生二次运动，逃逸出出口。　　以QCT-2017《汽车用空气滤清器实验方法》的实验方法为准则，利用空滤器综合性实验台对前进气系统进行多工况压降实验和不同平均粒径颗粒的过滤效率实验。与数值模拟结果相对比，以验证数值模拟方法的准确性。对比数值模拟计算所得的结果和实验结果，误差均较小，当工况为500m3/h时误差仅为2.77%。　　将双向流固耦合数值模拟方法所得结果与只考虑流场的数值模拟结果以及实验结果进行对比，进一步验证双向流固耦合数值模拟方法的准确性。　　对前进气系统的数值模拟结果进行分析，针对结果体现出的问题进行改进和优化。首先对前进气系统的主要结构进行结构优化，并在相同的工况下与原结构对比，以证明结构优化对前进气系统性能的提升，同时证明对其他结构的性能和分布无影响。对单结构优化进行整合，将优化后的各个结构和部件全部装配到前进气系统中。并通过耦合场的数值模拟分析，统计出与原结构的压降值对比和过滤效率对比，通过数据对比直接体现出优化后的前进气系统性能的提升幅度。并对结构优化后的前进气系统进行二维工程图的绘制，完成对前进气系统的优化设计。
作者：	黄沛文
专业：	机械工程
导师：	曹芳
授予学位：	硕士
授予学位单位：	齐鲁工业大学
学位年度：	2022