某發(fā)動機進氣歧管CFD分析

穆芳影，張超，王宏大，王軍，雷蕾

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

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某發(fā)動機進氣歧管CFD分析

穆芳影，張超，王宏大，王軍，雷蕾

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

在發(fā)動機的開發(fā)過程中，需要評估其進氣歧管結(jié)構(gòu)是否能夠滿足進氣均勻性的評價標(biāo)準(zhǔn)。利用CFD軟件，通過對某發(fā)動機進氣歧管進行穩(wěn)態(tài)分析，計算得到各缸的質(zhì)量流量、流量系數(shù)及流量系數(shù)差異性。結(jié)果表明：該發(fā)動機進氣歧管的流量系數(shù)差異性在評價標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足進氣歧管進氣均勻性要求。在發(fā)動機進氣歧管開發(fā)過程中，CFD分析可以大大減少產(chǎn)品開發(fā)周期、降低試驗和人工成本。

進氣歧管；進氣均勻性；CFD分析

0　引言

發(fā)動機進氣系統(tǒng)的作用是盡可能多和均勻地向各個氣缸供應(yīng)新鮮的空氣[1-2]。進氣歧管是發(fā)動機進氣系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將新鮮的空氣分配到各個氣缸對應(yīng)的缸蓋進氣道[3]。進氣歧管性能的好壞直接影響發(fā)動機進氣量的大小，進而影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性[4-5]。在發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)過程中，必須對進氣歧管的進氣均勻性進行分析，確保其滿足一定的評價標(biāo)準(zhǔn)[6]。

文中分析的對象是某發(fā)動機的進氣歧管。模擬得到各進氣支管出口的質(zhì)量流量、流量系數(shù)及流量系數(shù)差異性，并且得到其壓力分布圖和流動跡線分布圖。根據(jù)這些結(jié)果評價進氣歧管性能的好壞。CFD分析在發(fā)動機進氣歧管設(shè)計中發(fā)揮了越來越大的作用[7-8]。

1　模型建立

1.1數(shù)模

圖1為文中分析的進氣歧管結(jié)構(gòu)。新鮮空氣從進氣歧管入口進入穩(wěn)壓腔，然后經(jīng)各進氣支管流動到進氣歧管出口。4個氣缸對應(yīng)的進氣歧管出口分別為BC_1、BC_2、BC_3、BC_4。由于不考慮廢氣，所以廢氣管入口設(shè)為壁面。

1.2網(wǎng)格劃分

對進氣歧管模型進行體網(wǎng)格劃分，見圖2。體網(wǎng)格總數(shù)約為30萬，其中大部分為六面體網(wǎng)格。

考慮到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網(wǎng)格。為了避免在模型的進、出口邊界面出現(xiàn)回流情況，在進、出口面處各拉伸20層左右的網(wǎng)格。

1.3求解器參數(shù)

由于在進氣歧管中流動的介質(zhì)為新鮮空氣，空氣流動速度不是很高，計算中假設(shè)流動是不可壓縮的。采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時間項，壓力與速度耦合算法選擇SILMPLE。假設(shè)空氣為理想氣體，湍流模型為k-z-f方程，使用混合壁面函數(shù)描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求計算結(jié)果殘差值小于0.000 1。

1.4計算工況及邊界條件

文中是穩(wěn)態(tài)計算，工況為一個進氣歧管支管打開，其他3個進氣歧管支管關(guān)閉。總共計算了4個工況，分別見表1。

表1　計算工況

文中計算的邊界條件：入口設(shè)置為總壓，出口設(shè)置為靜壓。

2　計算結(jié)果分析

2.1評價標(biāo)準(zhǔn)

(1)進氣歧管各出口的流量系數(shù)是否均勻通常是評價進氣均勻性的常用方法。一般要求4個進氣支管的流量系數(shù)差異性控制在5%以內(nèi)。

(2)流量系數(shù)計算公式如下所示：

其中:mth為理論流量(kg/h);R為氣體常數(shù)(287.14kJ/kg);T為溫度(K);p為入口壓力(Pa);p0為出口壓力(Pa);Aref為支管截面面積(m2);ψ為流量因子(-);κ為絕熱指數(shù)(一般為1.41);mcalc為計算得到的質(zhì)量流量(kg/h);α為流量系數(shù)(-)。

2.2計算結(jié)果

(1)質(zhì)量流量、流量系數(shù)及流量系數(shù)差異性

表2為進氣歧管各支管出口的計算結(jié)果，包括質(zhì)量流量、流量系數(shù)及流量系數(shù)差異性。進氣支管1～4對應(yīng)的質(zhì)量流量分別為218、221、225、211kg/h。

表2　計算結(jié)果

進氣支管1～4對應(yīng)的流量系數(shù)分別為0.770 0、0.768 0、0.778 6、0.726 4。流量系數(shù)最大正偏差出現(xiàn)在進氣支管3，其值為2.34%。流量系數(shù)最大負(fù)偏差出現(xiàn)在進氣支管4，其值為-4.51%。支管4的流量系數(shù)最小是因為進氣歧管前的彎管導(dǎo)流作用，空氣進入穩(wěn)壓腔后形成一個漩渦，它與支管4方向相反。但是該進氣歧管流量系數(shù)最大正偏差和負(fù)偏差均在評價標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(2)壓力分布和速度分布

圖3為進氣歧管各工況下的壓力分布圖。可以看出壓力從入口到出口逐步降低，沒有壓力發(fā)生突變的部位。

圖4為進氣歧管各工況下的速度跡線圖。可以看出：氣體從進氣歧管入口進入后，在穩(wěn)壓腔內(nèi)部和支管的流動情況。空氣在穩(wěn)壓腔內(nèi)形成漩渦，隨后流向出口位置。

3　結(jié)論

通過對某發(fā)動機進氣歧管進行CFD分析，得到以下結(jié)論：

(1)該發(fā)動機進氣歧管流量系數(shù)差異性在評價標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足進氣歧管進氣均勻性要求；

(2)在發(fā)動機進氣歧管設(shè)計開發(fā)過程中，CFD分析可以大大減少產(chǎn)品開發(fā)周期、降低試驗和人工成本。

【1】陳家瑞.汽車構(gòu)造(上冊)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：190-193.

【2】周龍保.內(nèi)燃機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996:82-86.

【3】錢多德，姚煒.汽油機排氣歧管內(nèi)流場CFD模擬[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2010(5)：30-32.

【4】葉明輝，黃露,帥石金,等.基于一維、三維及耦合模型的汽油機進氣系統(tǒng)優(yōu)化[J].車用發(fā)動機，2007，169(3)：44-49.

【5】陳征，張波,堯命發(fā),等.基于數(shù)值模擬的排氣歧管優(yōu)化策略[J].內(nèi)燃機工程，2009,30(3)：51-56.

【6】黃澤好，張浩亮，孫章棟.某發(fā)動機排氣歧管流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].西南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2011(1):153-157.

【7】李湘華，張小蛟.柴油機排氣歧管流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].柴油機，2006(4):25-30.

【8】王晗，蔡憶昔，毛笑平.發(fā)動機進氣系統(tǒng)不均勻性的三維數(shù)值模擬[J].小型內(nèi)燃機與摩托車，2007，36(3)：41-44.

CFDAnalysisfortheIntakeManifoldofanEngine

MUFangying,ZHANGChao,WANGHongda,WANGJun,LEILei

(AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230601,China)

Inthedevelopmentprocessoftheengine,whethertheintakemanifoldstructurecansatisfytheevaluationstandardofintakeuniformityisneededtoassess.TheintakemanifoldofanenginewasanalyzedusingCFDsoftware.Themassflow,theflowcoefficientandthedeviationoftheflowcoefficientwerecalculatedforeachcylinder.Theresultsshowthat:thedeviationsoftheflowcoefficientsareamongthestandard,theuniformityrequirementsfortheintakemanifoldaresatisfied.Inthedevelopmentprocessoftheintakemanifold,thecycleoftheproductdevelopment,thecostofthetestandmanpowerarereducedgreatlybyCFDanalysis.

Intakemanifold;Intakeuniformity;CFDanalysis

2015-03-17

穆芳影，女，學(xué)士，工程師，研究方向為發(fā)動機設(shè)計。E-mail:563420286@qq.com。