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摘要：本文针对某炭罐电磁阀流量特性进行CFD数值模拟及优化设计。目的是要优化炭罐电磁阀在大负荷工况下的流量，以满足国六法规的脱附流量要求。首先，在Workbench的前处理模块DesignModeler中建立参数化模型，再通过DesignXplorer模块的响应曲面方法得到最优的炭罐电磁阀设计，最后进行试验验证。本文创建的基于Workbench的响应曲面优化方法，为类似产品的优化设计提供了参考。
Abstract： In this paper， CFD numerical simulation and optimized design of canister purge valve flow characteristics are conducted. The purpose is to optimize the flow rate of the canister purge valve under high load conditions to meet CN6 regulation. First， a parametric model is created in pre-processing module DesignModeler in Workbench， then the optimal canister purge valve design is obtained by the response surface method of the DesignXplorer module， and verified by the test. The response surface optimization method based on Workbench created in this paper provides a reference for the optimal design of similar products.
關键词：炭罐电磁阀;CFD数值模拟;响应曲面优化;临界背压比
Key words： canister purge valve;CFD numerical simulation;response surface optimization;critical back pressure ratio
中图分类号：V4 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）22-0013-04
0 引言
国六新增的加油排放法规（ORVR）[1]对炭罐电磁阀有了更高的要求，不仅缩短了可进行脱附的时间，也提高了对脱附流量的要求：小负荷工况下脱附流量要尽量小，大负荷工况下的脱附流量要尽量大，而炭罐电磁阀是依靠进气歧管的负压进行脱附的，其流量特性正好与此相反。小负荷工况下，进气歧管内负压大，炭罐电磁阀很容易达到最大流量;而大负荷工况下，进气歧管内负压小，炭罐电磁阀即使全开流量也很小。要解决这个矛盾最好的办法就是限制炭罐电磁阀的最大流量并提高在大负荷工况下的流量。本文通过优化炭罐电磁阀的结构，使其流量特性尽量满足以上要求。
1 炭罐电磁阀简介
1.1 结构及工作原理
炭罐电磁阀是利用励磁线圈产生磁场的原理设计的，为常闭式电磁阀。ECU通过占空比控制其开度来调节流量。炭罐端口与大气连通，气流依靠发动机端口的负压，将炭罐中储存的燃油蒸汽吸入发动机气缸内燃烧掉，从而实现对炭罐的清洗。
本文以现有量产产品作为优化的对象，考虑到变更的成本，这里只针对炭罐电磁阀的出口端进行优化，其出口端为缩放型喷嘴结构（图1）。出口端包括7个结构参数，分别是入口圆角、入口直径、收缩段长度、喉部直径、喉部长度，扩散段长度和出口直径。
1.2 临界流量与临界背压比
炭罐电磁阀的出口端结构与临界流文丘里喷嘴结构类似，当压比小于某个值时，喷嘴喉部的气流速度达到临界流速（当地声速），此时即为临界状态，喷嘴的质量流量只与上游滞止压力、管子直径和气体状态参数有关，而与下游压力无关[2]。
临界流速处的压力与上游滞止压力之比称为临界背压比[4]。炭罐电磁阀的临界背压比越大，就越容易达到临界流量，在小负荷工况下的流量就越大。对于缩放形喷嘴，其喉部截面的压比正好等于临界背压比，而其出口截面的压比则会小于临界背压比。结构合理，加工精良的临界流文丘里喷嘴其临界背压比可达0.9左右[5]。
综上，喉部直径决定的了炭罐电磁阀流量的上限。缩放形喷嘴的结构决定了临界背压比。因此，要提高炭罐电磁阀在大负荷工况下的流量，就是要提高其临界背压比。
2 炭罐电磁阀CFD分析
2.1 计算域模型和网格模型
在UG NX中，先对模型进行适当的简化，再进行布尔云算，可以非常方便的得到计算域的几何模型（图2）。为了将出口端喷嘴的结构参数进行参数化，需要在DesignModeler中通过草图将出口端的喷嘴结构进行重建。
使用FLUENT MESHING软件对几何模型进行网格划分（图2）。首先在DesignModeler先进行命名，以便在Fluent Meshing中对不同部位的网格进行加密。在喉部位置对面网格进行加密，面网格尺寸为0.1mm，其余部分的面网格尺寸为0.25mm。体网格采用POLY-HEXCORE填充，即表面及边界层采用多面体网格，内部采用六面体网格填充。体网格尺寸最小0.05mm，最大1.6mm，5层边界层。整个计算域的实体单元数约150万个。 2.2 边界条件设置及求解器选择
根据炭罐电磁阀的实际工作条件，采用压力入口，壓力出口边界条件。由于喷嘴喉部附近的流速会达到甚至超过音速，空气密度会发生较大的改变，需要考虑气体的可压缩性。因此，采用理想气体模型[6]。开启能量方程，温度298K。
炭罐电磁阀的CFD分析是个稳态的计算。采用基于压力的求解器，湍流模型采用可实现k-ε模型，并选择增强壁面函数。
3 基于DesignXplorer的响应曲面优化
3.1 输入与输出变量
优化的目标是要限制炭罐电磁阀的最大流量并提高其临界背压比。喉部直径根据不同应用而定，这里取φ3.5mm，喉部长度最小取1mm。除了喉部直径和喉部长度，将其他5个结构参数作为输入变量，其取值范围根据炭罐电磁阀的结构限制确定，见表1。
输出变量为临界背压比，但是由于临界压力不能直接输出，需要根据流量曲线来确定。在相同条件下，临界背压比越大，低负压下的流量就越大。因此，这里取负压10kPa下的流量作为输出变量。
3.2 设计采样空间（DOE）
输入输出参数确定之后，按照DOE模块默认的中心复合设计，预览之后自动生成了27个设计点，计算完成后得到表2。
3.3 敏感性分析及生成响应曲面
查看各输入参数对输出参数的敏感度大小（图3）。可以看出，出口半径对10kPa负压下的流量敏感度最高，其次是入口半径。
需要对响应曲面的质量先进行检查，按照Non-Parameter Regression（非参数回归方法）拟合响应面，它适用于响应为非线性的情况。拟合响应面，响应面拟合质量符合要求（图4）。
由于入口半径的敏感性最高，这里只查看入口半径与其他4个参数的响应曲面（图5）。通过响应曲面可以非常直观的看出各参数对流量的影响。通过下面几个响应曲面可以发现，当出口半径3.5mm左右时，再根据响应曲面响应的调整另一个参数，可以使流量达到最大。也就是说，当出口与喉部的面积比约为4时，可以获得较大的临界背压比[7]。
3.4 目标驱动优化
采用默认的MOGA优化方法。在Optimization子目录下Objectives and Constraints添加约束条件：10kPa的质量流量达到最大。在Results中点击Candidate Points查看最佳候选设计点。可以看出，ANSYS给出了三个最佳候选设计点（表3）。
软件给出的优化方案是基于响应面得出的。因此，还需要照优化方案的设计参数进行一次实际的分析来验证。按以上参数插入一个新的设计点重新进行计算，得到10kPa下的流量为0.662g/s，与基于响应面得出的流量（0.661g/s）基本一致。
按照优化方案的参数，分别计算各个负压下的流量，再与原模型的流量曲线进行对比（图6）。在最小流动截面积不变的情况下，临界流量不会太大变化。虽然临界流量只提高了约1.7%，但随着出口端负压的降低，流量提高的百分比逐渐增加，10kPa时提高了8.1%，5kPa时流量提高了17.2%。
4 试验验证
在炭罐电磁阀专用的流量测试平台上通过压力传感器和质量流量计可以测量炭罐电磁阀在不同负压下的流量。在UG中对炭罐电磁的总成的数模进行简化，只保留内部流道的结构。通过3D打印的方式可以快速获得优化方案的样件（图7）。
从实测的流量曲线上（图8）可以明显地看出，优化模型相比原模型具更容易达到临界流量。在10kPa负压下的流量，优化模型相比原模型提高了约10%，而临界流量却比较接近。这与之前CFD分析结果（图6）基本是一致的。
5 结语
应用ANSYS WORKBENCH分析了炭罐电磁阀的流量特性，并通过DX响应曲面的方法优化了炭罐电磁阀出口端的结构。优化后的模型在10kPa负压下的流量提高了8.1%，在5kPa负压下的流量提高了17.2%。因此，优化后的模型对于提高大负荷工况下的流量是非常有帮助的。虽然，就提高的流量数值而言并不多，但这是在某个特定条件下的最优解。对于产品设计，能在各种限制的条件下，将产品的性能做到最佳，也是非常有意义的。
参考文献：
[1]联合电子.应对史上最严的国六解决方案.2016.
[2]华自强，张忠进，高青.工程热力学[M].第四版.高等教育出版社，2009：121-132.
[3]ISO 9300， Measurement of Gas Flow by Means of Critical Flow Venturi Nozzles [S]. 2005.
[4]李春辉，王池.中小喉径音速喷嘴临界背压比的研究[C].海峡两岸流量计量与质量研讨会.台北，2008.
[5]徐志斌.缩放喷管应用现状及研究方向[J].工业仪表与自动化装置，2006（6）：18-20.
[6]Schley P.Simulation of critical nozzles flow considering real gas effects[J].The 10th International Conference of Flow Measurement，2000，（6）：4-8.
[7]戚珊珊.小流量音速喷嘴装置及测量特性研究[D].杭州：中国计量学院，2015.
Abstract： In this paper， CFD numerical simulation and optimized design of canister purge valve flow characteristics are conducted. The purpose is to optimize the flow rate of the canister purge valve under high load conditions to meet CN6 regulation. First， a parametric model is created in pre-processing module DesignModeler in Workbench， then the optimal canister purge valve design is obtained by the response surface method of the DesignXplorer module， and verified by the test. The response surface optimization method based on Workbench created in this paper provides a reference for the optimal design of similar products.
關键词：炭罐电磁阀;CFD数值模拟;响应曲面优化;临界背压比
Key words： canister purge valve;CFD numerical simulation;response surface optimization;critical back pressure ratio
中图分类号：V4 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）22-0013-04
0 引言
国六新增的加油排放法规（ORVR）[1]对炭罐电磁阀有了更高的要求，不仅缩短了可进行脱附的时间，也提高了对脱附流量的要求：小负荷工况下脱附流量要尽量小，大负荷工况下的脱附流量要尽量大，而炭罐电磁阀是依靠进气歧管的负压进行脱附的，其流量特性正好与此相反。小负荷工况下，进气歧管内负压大，炭罐电磁阀很容易达到最大流量;而大负荷工况下，进气歧管内负压小，炭罐电磁阀即使全开流量也很小。要解决这个矛盾最好的办法就是限制炭罐电磁阀的最大流量并提高在大负荷工况下的流量。本文通过优化炭罐电磁阀的结构，使其流量特性尽量满足以上要求。
1 炭罐电磁阀简介
1.1 结构及工作原理
炭罐电磁阀是利用励磁线圈产生磁场的原理设计的，为常闭式电磁阀。ECU通过占空比控制其开度来调节流量。炭罐端口与大气连通，气流依靠发动机端口的负压，将炭罐中储存的燃油蒸汽吸入发动机气缸内燃烧掉，从而实现对炭罐的清洗。
本文以现有量产产品作为优化的对象，考虑到变更的成本，这里只针对炭罐电磁阀的出口端进行优化，其出口端为缩放型喷嘴结构（图1）。出口端包括7个结构参数，分别是入口圆角、入口直径、收缩段长度、喉部直径、喉部长度，扩散段长度和出口直径。
1.2 临界流量与临界背压比
炭罐电磁阀的出口端结构与临界流文丘里喷嘴结构类似，当压比小于某个值时，喷嘴喉部的气流速度达到临界流速（当地声速），此时即为临界状态，喷嘴的质量流量只与上游滞止压力、管子直径和气体状态参数有关，而与下游压力无关[2]。
临界流速处的压力与上游滞止压力之比称为临界背压比[4]。炭罐电磁阀的临界背压比越大，就越容易达到临界流量，在小负荷工况下的流量就越大。对于缩放形喷嘴，其喉部截面的压比正好等于临界背压比，而其出口截面的压比则会小于临界背压比。结构合理，加工精良的临界流文丘里喷嘴其临界背压比可达0.9左右[5]。
综上，喉部直径决定的了炭罐电磁阀流量的上限。缩放形喷嘴的结构决定了临界背压比。因此，要提高炭罐电磁阀在大负荷工况下的流量，就是要提高其临界背压比。
2 炭罐电磁阀CFD分析
2.1 计算域模型和网格模型
在UG NX中，先对模型进行适当的简化，再进行布尔云算，可以非常方便的得到计算域的几何模型（图2）。为了将出口端喷嘴的结构参数进行参数化，需要在DesignModeler中通过草图将出口端的喷嘴结构进行重建。
使用FLUENT MESHING软件对几何模型进行网格划分（图2）。首先在DesignModeler先进行命名，以便在Fluent Meshing中对不同部位的网格进行加密。在喉部位置对面网格进行加密，面网格尺寸为0.1mm，其余部分的面网格尺寸为0.25mm。体网格采用POLY-HEXCORE填充，即表面及边界层采用多面体网格，内部采用六面体网格填充。体网格尺寸最小0.05mm，最大1.6mm，5层边界层。整个计算域的实体单元数约150万个。 2.2 边界条件设置及求解器选择
根据炭罐电磁阀的实际工作条件，采用压力入口，壓力出口边界条件。由于喷嘴喉部附近的流速会达到甚至超过音速，空气密度会发生较大的改变，需要考虑气体的可压缩性。因此，采用理想气体模型[6]。开启能量方程，温度298K。
炭罐电磁阀的CFD分析是个稳态的计算。采用基于压力的求解器，湍流模型采用可实现k-ε模型，并选择增强壁面函数。
3 基于DesignXplorer的响应曲面优化
3.1 输入与输出变量
优化的目标是要限制炭罐电磁阀的最大流量并提高其临界背压比。喉部直径根据不同应用而定，这里取φ3.5mm，喉部长度最小取1mm。除了喉部直径和喉部长度，将其他5个结构参数作为输入变量，其取值范围根据炭罐电磁阀的结构限制确定，见表1。
输出变量为临界背压比，但是由于临界压力不能直接输出，需要根据流量曲线来确定。在相同条件下，临界背压比越大，低负压下的流量就越大。因此，这里取负压10kPa下的流量作为输出变量。
3.2 设计采样空间（DOE）
输入输出参数确定之后，按照DOE模块默认的中心复合设计，预览之后自动生成了27个设计点，计算完成后得到表2。
3.3 敏感性分析及生成响应曲面
查看各输入参数对输出参数的敏感度大小（图3）。可以看出，出口半径对10kPa负压下的流量敏感度最高，其次是入口半径。
需要对响应曲面的质量先进行检查，按照Non-Parameter Regression（非参数回归方法）拟合响应面，它适用于响应为非线性的情况。拟合响应面，响应面拟合质量符合要求（图4）。
由于入口半径的敏感性最高，这里只查看入口半径与其他4个参数的响应曲面（图5）。通过响应曲面可以非常直观的看出各参数对流量的影响。通过下面几个响应曲面可以发现，当出口半径3.5mm左右时，再根据响应曲面响应的调整另一个参数，可以使流量达到最大。也就是说，当出口与喉部的面积比约为4时，可以获得较大的临界背压比[7]。
3.4 目标驱动优化
采用默认的MOGA优化方法。在Optimization子目录下Objectives and Constraints添加约束条件：10kPa的质量流量达到最大。在Results中点击Candidate Points查看最佳候选设计点。可以看出，ANSYS给出了三个最佳候选设计点（表3）。
软件给出的优化方案是基于响应面得出的。因此，还需要照优化方案的设计参数进行一次实际的分析来验证。按以上参数插入一个新的设计点重新进行计算，得到10kPa下的流量为0.662g/s，与基于响应面得出的流量（0.661g/s）基本一致。
按照优化方案的参数，分别计算各个负压下的流量，再与原模型的流量曲线进行对比（图6）。在最小流动截面积不变的情况下，临界流量不会太大变化。虽然临界流量只提高了约1.7%，但随着出口端负压的降低，流量提高的百分比逐渐增加，10kPa时提高了8.1%，5kPa时流量提高了17.2%。
4 试验验证
在炭罐电磁阀专用的流量测试平台上通过压力传感器和质量流量计可以测量炭罐电磁阀在不同负压下的流量。在UG中对炭罐电磁的总成的数模进行简化，只保留内部流道的结构。通过3D打印的方式可以快速获得优化方案的样件（图7）。
从实测的流量曲线上（图8）可以明显地看出，优化模型相比原模型具更容易达到临界流量。在10kPa负压下的流量，优化模型相比原模型提高了约10%，而临界流量却比较接近。这与之前CFD分析结果（图6）基本是一致的。
5 结语
应用ANSYS WORKBENCH分析了炭罐电磁阀的流量特性，并通过DX响应曲面的方法优化了炭罐电磁阀出口端的结构。优化后的模型在10kPa负压下的流量提高了8.1%，在5kPa负压下的流量提高了17.2%。因此，优化后的模型对于提高大负荷工况下的流量是非常有帮助的。虽然，就提高的流量数值而言并不多，但这是在某个特定条件下的最优解。对于产品设计，能在各种限制的条件下，将产品的性能做到最佳，也是非常有意义的。
参考文献：
[1]联合电子.应对史上最严的国六解决方案.2016.
[2]华自强，张忠进，高青.工程热力学[M].第四版.高等教育出版社，2009：121-132.
[3]ISO 9300， Measurement of Gas Flow by Means of Critical Flow Venturi Nozzles [S]. 2005.
[4]李春辉，王池.中小喉径音速喷嘴临界背压比的研究[C].海峡两岸流量计量与质量研讨会.台北，2008.
[5]徐志斌.缩放喷管应用现状及研究方向[J].工业仪表与自动化装置，2006（6）：18-20.
[6]Schley P.Simulation of critical nozzles flow considering real gas effects[J].The 10th International Conference of Flow Measurement，2000，（6）：4-8.
[7]戚珊珊.小流量音速喷嘴装置及测量特性研究[D].杭州：中国计量学院，2015.