進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣流動(dòng)影響的數(shù)值模擬

摘要：利用Fluent軟件對(duì)某型號(hào)多缸汽油機(jī)進(jìn)氣歧管建立了三維數(shù)值模型，并對(duì)其穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬與分析，研究了進(jìn)氣歧管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)特性、壓力損失和流量特性等的影響。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣歧管；數(shù)值模擬；流場(chǎng)特性;壓力損失；流量特性

中圖分類號(hào)：U464.134+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）05-0032-05

Effect of Parameters of Intake Manifold Structure on Characteristics of

Intake Flow Based on Simulation

NING Jun1，2，DANG Feng-ling2，YANG Na2，LI Li-guang1

（1.The Institute of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 200092，China;

2.Shanghai Fuel Cell Vehicle Powertrain CO.，LTD，Shanghai 201804，China）

Abstract: Based on Fluent software， a three dimensional model of the intake manifold of a certain multi-cylinder gasoline engine were carried out .Through the three dimensional numerical simulation and analysis of the steady flow ， it found out the effect of main parameters of intake manifold structure on the flow field， pressure loss and discharge characteristics.

Key words: intake manifold；numerical simulation; flow field; pressure loss; discharge characteristics

進(jìn)氣系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分之一，其布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率、進(jìn)氣阻力、進(jìn)氣均勻性、缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)和燃燒過(guò)程有著重要的影響，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性。

進(jìn)氣系統(tǒng)良好的結(jié)構(gòu)布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇有助于充分利用重力自然進(jìn)氣，同時(shí)可以使發(fā)動(dòng)機(jī)充分利用歧管內(nèi)氣體流動(dòng)的動(dòng)力效應(yīng)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的性能。

近年來(lái)，關(guān)于進(jìn)氣歧管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究已有不少報(bào)道［1-4］，主要研究了各缸的進(jìn)氣不均勻度、質(zhì)量流量、流量系數(shù)等。但關(guān)于模擬的研究有限，主要集中在對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，提供評(píng)估進(jìn)氣歧管性能的方法。本文針對(duì)某型號(hào)汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用三維數(shù)值模擬計(jì)算方法，利用Hypermesh軟件和Tgrid軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件對(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行模擬，研究了進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后的流場(chǎng)特性、壓力損失和流量特性，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣流動(dòng)的影響。

1 進(jìn)氣歧管網(wǎng)格劃分

研究對(duì)象汽油機(jī)排量為1.8 L，標(biāo)定功率和轉(zhuǎn)速為74 kW和5 200 r/min。首先用Hypermesh和Tgrid軟件對(duì)進(jìn)氣歧管三維模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格的劃分，在出口處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，并設(shè)置邊界條件，入口端的前端面設(shè)為質(zhì)量流量進(jìn)口邊界，各個(gè)歧管的出口端面設(shè)置為自由流，其他均為壁面邊界，結(jié)果如圖1所示。

圖1 進(jìn)氣歧管三維網(wǎng)格效果圖與邊界定義

表1 進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)比

對(duì)表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行比較可知，進(jìn)氣歧管改進(jìn)前后結(jié)構(gòu)變化不大，主要是因?yàn)槭馨l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)限制。各歧管在出口面積不變時(shí)，增加了長(zhǎng)度；同時(shí)穩(wěn)壓腔與歧管過(guò)渡面變長(zhǎng)，進(jìn)口長(zhǎng)度減小。下面將進(jìn)一步計(jì)算和分析這些結(jié)構(gòu)變化給流動(dòng)所帶來(lái)的影響。

2 湍流方程

Fluent常用的湍流模型包括Spalart-Allmaras模型，標(biāo)準(zhǔn)κ~ω、RNG κ~ω和Realizable κ~ω模型，標(biāo)準(zhǔn)和SST κ~ω模型，雷諾茲壓力模型，大型艾迪仿真模型等等。本文的模擬計(jì)算所選用的是標(biāo)準(zhǔn)κ~ω湍流模型。

在標(biāo)準(zhǔn)κ~ε模型中，κ和ε是兩個(gè)基本未知量，與之相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為：

（）+（i）=［（＋）］＋

Gk＋Gb--YM＋S（1）

（）+（i）=［（＋）］＋

G1（G＋G3Gb）-C2 +S（2）

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的項(xiàng)；YM代表可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)展的貢獻(xiàn)，C1ε、C2ε、C3ε是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σk和σε分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε由用戶定義的源項(xiàng)；μt是湍動(dòng)粘度，可表示成k和ε的函數(shù)，即：標(biāo)準(zhǔn)κ~ε模型中的參數(shù)見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)κ~ε模型中的常系數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 流場(chǎng)特性模擬

首先，模擬進(jìn)氣歧管齊開時(shí)的情況，分析流體內(nèi)部流動(dòng)特性。改進(jìn)前后進(jìn)氣歧管模擬初始參數(shù)都選取進(jìn)口質(zhì)量流量為0.057 57 kg/s（虛擬轉(zhuǎn)速為3 000轉(zhuǎn)/分），進(jìn)口表壓為0（工作壓力為1.013E05Pa），四個(gè)歧管均設(shè)置為流出自由流；其他設(shè)置均與前文所述一致。

圖2~圖5是在計(jì)算邊界完全相同的情況下，分別為進(jìn)氣歧管流體壓力等值云圖和流場(chǎng)跡線圖。可以看出，在原進(jìn)氣歧管進(jìn)氣過(guò)程中，氣流發(fā)生的旋轉(zhuǎn)、分離和回流現(xiàn)象明顯要大于改進(jìn)后，特別是壓力值較大或較小的地方，如各歧管與穩(wěn)壓腔的過(guò)渡口以及歧管曲率半徑較大處等都會(huì)發(fā)生回流或旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。如圖2中，A點(diǎn)處為穩(wěn)壓腔左端，由于進(jìn)氣口位于穩(wěn)壓腔右端，進(jìn)氣氣流在A點(diǎn)處明顯受到擠壓，而形成死區(qū)增大壓力，增加流體與管壁或流體之間的摩擦，引起流體機(jī)械能的損失。在圖3中A點(diǎn)處產(chǎn)生了明顯的大面積回流。B、C、D、F點(diǎn)都是進(jìn)歧管的過(guò)渡口，B、C、D點(diǎn)的壓力由于受到進(jìn)口流體的沖擊造成壓力急劇上升。F點(diǎn)位于進(jìn)口后方受到流速加之歧管曲率半徑的變化的影響產(chǎn)生了負(fù)壓、回流（見流速圖）和旋轉(zhuǎn)流，以及E點(diǎn)產(chǎn)生的二次流，都會(huì)造成額外的能量損失。氣流的旋轉(zhuǎn)在圖3中的四歧管中非常明顯，延續(xù)到歧管出口處，對(duì)流動(dòng)均勻性影響也非常大。

圖6和圖7是上述計(jì)算條件下的流速圖，在流場(chǎng)跡線中無(wú)法判斷的回流現(xiàn)象，可以在流速方向上明顯得到。如圖6和圖7中A點(diǎn)處部分的回流現(xiàn)象在改進(jìn)后的穩(wěn)壓腔內(nèi)明顯減弱且范圍減小；B、C、D、F處的回流也基本消失或改善。從流速矢量圖上也可以看出各個(gè)歧管內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)相應(yīng)減少，這些都有助于減少壓力損失。

3.2 單個(gè)進(jìn)氣歧管壓力損失分析

已知結(jié)構(gòu)上改進(jìn)后的歧管長(zhǎng)度有所增加，為了進(jìn)一步分析長(zhǎng)度所帶來(lái)的影響，現(xiàn)通過(guò)研究?jī)?nèi)部質(zhì)點(diǎn)的流跡圖，分別在改進(jìn)前后的進(jìn)氣歧管中取8個(gè)質(zhì)點(diǎn)，然后由后處理工具繪制質(zhì)點(diǎn)在歧管內(nèi)的流動(dòng)情況。工況仍為3 000轉(zhuǎn)/分，只有歧管1（Outlet 1）為氣缸充氣。方便起見，質(zhì)點(diǎn)起點(diǎn)為穩(wěn)壓腔與歧管1號(hào)過(guò)渡截面上一直徑上的8個(gè)點(diǎn)。質(zhì)點(diǎn)編號(hào)如圖8所示。

從圖9和圖10中可以看出，質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入歧管后，隨著進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度的增加，壓力是先降低再增加的。這是因?yàn)檫吔缑娴脑黾佣龃罅搜爻虛p失，在歧管長(zhǎng)度約150~175 mm處，壓力達(dá)到了最小值。在此之后直至出口處，壓力都呈上升趨勢(shì)，分析認(rèn)為此處受到進(jìn)氣諧振作用而呈現(xiàn)了波峰趨勢(shì)，從而提高了出口壓力，進(jìn)而有利于進(jìn)氣。由圖9質(zhì)點(diǎn)號(hào)可以看出，4號(hào)、5號(hào)質(zhì)點(diǎn)位置為歧管軸線附近，壓力變化曲線相對(duì)于管壁附近的1號(hào)、8號(hào)幅度要小，如圖中橫坐標(biāo)為25~150 mm處，說(shuō)明隨著管徑的增大，其核心部分的流動(dòng)隨曲率半徑的變化（見圖1）相對(duì)較穩(wěn)定，但是壁面附近的情況相對(duì)較差。與圖10比較，最大的差異是跡線起始點(diǎn)附近，壓力的集中度。在原歧管中由于穩(wěn)壓腔與歧管過(guò)渡段幾何結(jié)構(gòu)過(guò)于急劇，而產(chǎn)生較大的壓力梯度，這也是圖2和圖3中D、F點(diǎn)處產(chǎn)生回流與旋轉(zhuǎn)流的原因。

圖11和圖12為改進(jìn)前后進(jìn)氣歧管內(nèi)質(zhì)點(diǎn)不同位置的湍動(dòng)能。在整個(gè)歧管中流動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，后者的湍動(dòng)能相對(duì)前者大，且沿程變化趨勢(shì)相對(duì)一致。湍動(dòng)能的增大對(duì)提高進(jìn)氣量有幫助。

觀察穩(wěn)壓腔與歧管的過(guò)渡口與長(zhǎng)度約150~175 mm處歧管形狀結(jié)構(gòu)對(duì)所取質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的影響，相對(duì)而言，后者的歧管結(jié)構(gòu)較平順，對(duì)流動(dòng)的影響較小。從過(guò)渡口局部湍動(dòng)能圖13和圖14可以看出，湍流區(qū)域發(fā)生了轉(zhuǎn)移，后者更靠近歧管軸線附近，這也解釋了為什么后者的流動(dòng)更為均勻。

利用Fluent軟件內(nèi)質(zhì)點(diǎn)跡線圖來(lái)研究歧管長(zhǎng)度的影響，雖然質(zhì)點(diǎn)的軌跡不代表歧管軸線，但是卻可以方便有效地做出內(nèi)部流動(dòng)評(píng)價(jià)。

3.3 穩(wěn)壓腔對(duì)壓力損失的影響

圖15和圖16為改進(jìn)前后進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔局部流速（Y方向流速圖），即流速在Y軸向的分量大小。需要說(shuō)明的是該圖為歧管穩(wěn)壓腔在Y向上中間剖面上的流速圖，即理想流速應(yīng)該沒有Y軸方向。圖中顏色偏紅處為Y向速度偏大處，即圖2中所示Ａ點(diǎn)處，前面提到該點(diǎn)處的回流較大，原因是穩(wěn)壓腔的結(jié)構(gòu)不合理而在進(jìn)氣的沖壓下產(chǎn)生了不必要的能量損失。改進(jìn)后的穩(wěn)壓腔容積比之前略微減少，但是真正產(chǎn)生影響的應(yīng)該還是過(guò)渡口加長(zhǎng)的關(guān)系，從兩圖中可以明顯看出這部分的流動(dòng)要優(yōu)于改動(dòng)前，進(jìn)入歧管的氣流更加流暢，所以在流動(dòng)死區(qū)在該截面上也基本消失。

3.4 流量特性分析

分支管出口截面流速不均勻，繼續(xù)上一節(jié)的工況條件并采用三維模型可精確計(jì)算各分支管出口質(zhì)量流量。質(zhì)量流量按如下公式計(jì)算［7］:

Q=AVdA（3）

式中，A表示計(jì)算截面；ρ是微元面的流體密度；V是微元面的流體速度。上式在計(jì)算截面上離散后得到：

Q=i（Vix Aix+Viy Aiy+Viz Aiz）（4）

式中，i是第i個(gè)計(jì)算單元的密度，Vix，Viy，Viz是第i個(gè)計(jì)算單元的中心速度在三個(gè)坐標(biāo)方向的投影，Aix，Aiy，Aiz是第i 個(gè)計(jì)算單元的面積在三個(gè)坐標(biāo)方向的投影， n 是計(jì)算截面上的單元數(shù)。按上述方法計(jì)算各分支管出口質(zhì)量流量如表3和表4 所示。同時(shí)給出fluent計(jì)算出口流量的數(shù)值，并進(jìn)行誤差對(duì)比。

從表3中可看出， 各分歧管出口流量不均勻，outlet 1出口質(zhì)量流量最大，outlet 2 出口質(zhì)量流量最小。這說(shuō)明多缸發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣不均勻。導(dǎo)致各缸進(jìn)氣不均勻的原因主要有兩個(gè): （1）各缸沿程流動(dòng)損失不同。Outlet 1氣缸距離進(jìn)口最近，沿程流動(dòng)損失小;outlet 34最遠(yuǎn)，沿程流動(dòng)損失較大。（2）穩(wěn)壓腔容積影響。由于outlet 4開啟時(shí)受穩(wěn)壓腔左端回流的影響，減少了進(jìn)氣量;（3）流體方向影響。氣缸進(jìn)氣時(shí)，主流方向與2號(hào)歧管方向呈90度，對(duì)過(guò)渡段流動(dòng)產(chǎn)生影響，相對(duì)于1號(hào)靠近進(jìn)口以及3和4號(hào)死區(qū)改變主流方向看，只有2號(hào)影響較大。

表3中所述問題在表4依舊存在：靠近進(jìn)氣口的outlet 1和2的進(jìn)氣量仍然大于3和4，但是穩(wěn)壓腔問題有所緩和。

各缸進(jìn)氣的不均勻性將直接影響各缸空氣與燃油的混合，從而影響燃燒過(guò)程的組織，使各缸的燃燒過(guò)程產(chǎn)生差異。因此，各缸進(jìn)氣的不均勻性是內(nèi)燃機(jī)工作者所十分關(guān)心的課題。本文在進(jìn)氣管各分支管出口流量的數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，研究了各缸進(jìn)氣的不均勻性，為改善發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣均勻性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能提供了有效手段。

4 結(jié)論

（1）針對(duì)某型號(hào)汽油機(jī)進(jìn)氣歧管內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值分析，為深入了解其幾何形狀對(duì)流動(dòng)特性的影響和改型設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

（2）計(jì)算結(jié)果表明，過(guò)渡口的優(yōu)化與歧管長(zhǎng)度的變化，對(duì)改善流動(dòng)有明顯影響。

（3）計(jì)算結(jié)果表明，改型后各歧管的流量偏差值比改型前普遍變小。

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