進氣歧管氣道流場CFD分析及優化

黃英銘，黃初華，劉卓(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

進氣歧管氣道流場CFD分析及優化

黃英銘，黃初華，劉卓
(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

進氣歧管的氣道結構直接影響發動機各缸進氣量和進氣均勻性，因此合理的氣道結構是保證發動機性能得以實現的基礎。通過三維CFD仿真計算展現進氣歧管氣道內部微觀流場分布，以此為基礎指導氣道結構優化設計，以實現降低進氣壓損、增加進氣量和保證各缸進氣均勻性的目的。

進氣歧管；氣道結構；流場；結構優化

0 引言

進氣歧管作為發動機的主要性能零件之一，其主要作用是為發動機運行提供均勻、穩定的進氣量，保證各缸進氣的均勻性。發動機各缸的最大進氣量是保證發動機最大功率得以實現的前提，均勻性差，會產生扭矩輸出不穩定、發動機振動大、排放增加等問題[1]。合理地設計進氣歧管氣道結構，不僅可以降低進氣壓損，增加進氣量，還可以保證各缸進氣的均勻性。因此，進氣歧管氣道結構設計是保證發動機動力性、經濟性、可靠性和排放特性的一項關鍵技術[2]。

通過三維CFD仿真軟件STAR CCM+，從微觀上展現進氣歧管內部流場分布，并以此為基礎指導進氣歧管氣道結構優化設計，以實現降低進氣壓損、增加進氣量和提高進氣均勻性的目的[3]。與傳統設計方法相比，CAD和CFD相結合的設計方法，能有效減少前期樣件試制和試驗，縮短設計開發周期，降低開發成本，更為重要的是提高設計精度[4]。

1 進氣歧管三維CFD仿真分析概述

進氣歧管氣道CFD仿真計算，可以通過數值模擬，展現歧管氣道內部的微觀流場分布，避免局部流速過高、氣流分離以及限制渦流等不良流動現象，同時評估進氣歧管進氣阻力和各缸進氣的均勻性，為氣道結構優化提供三維流場分布和數據基礎。

在進氣歧管氣道三維CFD仿真的過程中，常規的計算方法是只計算進氣歧管的氣道結構對進氣流場分布的影響。事實上進氣歧管前、后的氣道也都會對進氣歧管流場分布產生一定的影響(如圖1所示)，因此，在進行進氣歧管CFD仿真計算的過程中，為增加真實性，建議同時考慮節氣門及缸蓋氣道對進氣歧管流動性能的影響。

文中進行進氣歧管氣道穩態流動仿真計算，每缸氣道單獨計算，評估流場分布、進氣壓損、質量流量及各缸進氣均勻性等，以此評價進氣歧管氣道結構并為氣道結構優化提供依據。

2 某進氣歧管穩態流場CFD仿真計算流程

進氣歧管穩態CFD模擬分析流程圖[4]如圖2所示。

2.1 氣道CAD數據

進氣歧管氣道結構三維構建，并聯合節氣門和缸蓋氣道一同導出STL格式文件。為減少網格數量和計算時間，在每缸氣道計算的過程中，可將其他氣道切除，如圖3所示。

2.2 生成網格

采用STAR-CCM+軟件生成Polyhedral Mesh網格，如圖4所示，網格數25萬。

2.3 模型選擇

此次計算采用三維穩態，湍流模型采用RANS模型中的realizable K-Epsilon Two-Layer模型，激活能量方程，設置流體(工質)屬性。

2.4 初始條件設置

以出口壓力和溫度作為環境壓力初始值。

2.5 邊界條件設置

進氣歧管穩態仿真計算邊界條件設置有以下兩種方法：

(1) 入口定質量流量，計算各缸進出口壓差。

入口邊界：選擇質量流量入口，并設置流量、溫度。

出口邊界：選擇壓力出口，并設置壓力和溫度。

壁面邊界：采用無滑移壁面邊界，絕熱狀態。

優點：能更敏感地展示氣道結構優化對進氣壓損和壓損均勻性的影響。

(2) 定進出口壓差，計算各缸質量流量。

入口邊界：選擇壓力入口，并設置壓力、溫度。

出口邊界、壁面邊界與方法一一致。

優點：更接近實際動行工況，展現實際各缸進氣量和進氣均勻性。

綜上，在進氣歧管氣道開發的過程中，作者建議先采用方法一進行氣道結構優化設計，得到較優的壓損和壓損均勻性后，再由方法二進行最終的評價。

2.6 求解松弛因子設定

關于松弛因子的設定，可按表1進行設置，其他采用默認值即可。

表1 松弛因子值

2.7 迭代次數及殘差

采用second upwind差分格式和SIMPLE算法。最大迭代步可根據收斂情況而定，此例定為2 000步。收斂準則結合自定義出口流量或壓力檢測值等來判斷。

2.8 輸出結果設置

設置檢測面(如圖3)，以監測氣道不同部分的壓力損失；設置壓力、流線顯示等，以展現進氣歧管微觀流場分布。

2.9 評價計算結果

評價氣道內部流場分布、壓力損失或質量流量以及流動均勻性等。若不滿足要求，重新返回步驟(1)進行氣道結構優化；若滿足要求，則可進行后續工作。

3 仿真結果及結構優化

以第一方法邊界條件進行計算，原進氣歧管氣道仿真結果如圖5—7所示：進氣歧管氣道內氣流流線和速度分布較為合理，各缸氣道無分離和渦流現象，但進氣總管至穩壓腔的過渡較大，穩壓腔內有較大的渦流生成，各缸壓損均勻性較差。

根據仿真結果，對進氣歧管氣道進行優化，主要是：加大進氣總管與穩壓腔的過渡倒角，采用變截面穩壓腔結構，切除部分穩壓腔，以及各缸氣道與穩壓腔接口處采用不等倒圓角結構,如圖8所示。

如圖9所示，對比優化前后流線分布，優化后的進氣總管與穩壓腔的過渡有改善，穩壓腔內的流動改善尤其明顯，穩壓腔內的渦流被有效地限制。

如圖10、圖11所示，優化后的進氣壓損和各缸流動的均勻性都有明顯的提高。其中進氣壓損平均下降5%，進氣壓損均勻性由±12%大幅度下降為±5%。

以優化后的氣道，進行第二方法邊界邊條件輸入計算。各缸氣道質量流量仿真結果如圖12所示，均勻性±1%以內，滿足均勻性要求[5]。

結合流場分布和壓損值，可以判斷該進氣歧管氣道滿足發動機各缸進氣量和進氣均勻性的要求，該進氣歧管氣道結構滿足性能要求，可凍結氣道結構。

4 試驗驗證

以凍結后的進氣歧管氣道結構為基礎，推進進氣歧管初步工藝設計，并開展快速樣件試制，以搭載發動機進行熱力學開發試驗。如圖13所示，進氣歧管樣件搭載在發動機上進行試驗驗證。

試驗結果表明:文中開發的進氣歧管氣道結構滿足某發動機最大功率、扭矩及各缸進氣均勻性的要求，該進氣歧管氣道結構滿足設計目標，可進行后續的模具數據設計及試制。

5 總結

在進行某發動機進氣歧管氣道結構設計的過程中，作者有效地運用CFD仿真軟件展現進氣歧管內部微觀流場分布，并以此為基礎進行氣道結構優化設計。結果顯示：優化后的進氣歧管能有效地引導進氣流場分布、減小進氣過渡時突變、限制渦流的產生，達到降低進氣壓損和提高進氣均勻性的目的。通過樣件試制及臺架試驗驗證，表明該進氣歧管達到發動機各缸所需的進氣量和進氣均勻性的要求，保證發動機性能目標得以實現。

【1】 王晗,蔡憶昔,毛笑平.發動機進氣系統不均勻性的三維數值模擬[J].小型內燃機與摩托車,2007,36(3):41-44.

【2】 許元默,帥石金,王建昕.電噴汽油機進氣歧管CAD/CFD設計[J].汽車工程,2002,24(4):314-317.

【3】 帥石金,王志,王建昕.發動機CAD/CFD虛擬設計技術[J].汽車工程,2006,26(5):581-584.

【4】 黃鍵,李世仲,黃劍峰.發動機進氣歧管的發展及CFD技術的應用[J].海峽科學,2010(12):128-130.

【5】 崔怡,高瑩,李君,等.進氣歧管結構對進氣均勻性影響的仿真研究[J].小型內燃機與摩托車,2009,38(2):37-40.

Flow Field Investigation and Optimization of Intake Manifold Runner by CFD Method

HUANG Yingming,HUANG Chuhua,LIU Zhuo
(GAC Automotive Engineering Research Institute，Guangzhou Guangdong 511434，China)

The runner structure of intake manifold has significant influence on intake mass flow and intake uniformity.Reasonable design of runner structure is very important to make sure that the target of engine performance can realize.The flow field inside the runner of intake manifold was calculated and shown by CFD approach.The optimization of the runner was then carried out to reduce the pressure loss，increase the intake mass flow and ensure better intake uniformity.

Intake manifold；Runner structure；Flow field；Structure optimization

2013-11-25

黃英銘(1985—)，工學碩士，工程師，研究方向為發動機零部件設計。E-mail:huangyingming@gaei.cn。