FSAE賽車進氣系統流場分析及優化

庫亞斌

摘 要：本文研究的對象是FSAE賽車的進氣系統，研究主要參考目標為學校車隊的賽車進氣系統。首先運用了理論分析方法查閱相關文獻資料，初步建立三維模型，進行仿真分析。然后運用單一變量分析的方法，對模型各部分參數進行仿真優化，求解出進氣系統各部分的最優尺寸。使用的工具是常用的三維軟件CATIA。對進氣系統內氣體的流動過程進行分析優化所使用軟件為常用的有限元分析軟件ANSYS Fluent。經過分析優化得出了較為理想的FSAE賽車進氣系統的流線分布圖。

關鍵詞：進氣系統；流場分析；FSAE；20mm限流閥

中圖分類號：U464.234 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0055-06

Abstract： The object is FSAE car's intake system， the main reference target university research team racing intake system. First， the theoretical analysis method using access to relevant documents， the initial establishment of three-dimensional model， simulation analysis. Then use the method of univariate analysis of the various parts of the model parameters of simulation and optimization， solving the optimal size of the various parts of the intake system. Tool is commonly used three-dimensional software CATIA. Process flow within the intake system of the gas is analyzed to optimize the software commonly used finite element analysis software ANSYS FLUENT use. After analysis and optimization come to the ideal racing intake system FSAE streamline distribution.

Key Words： Air intake system； The flow field analysis； FSAE； 20 mm flow-limiting valves

引 言

大學生方程式汽車大賽（簡稱“FASE”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關專業在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。比賽規定賽事所用發動機排量小于600cc，且在進氣系統的進氣總管處設有20mm的限流閥；同時也規定出進氣順序為：空濾—節氣門—總管（內設限流閥）—穩壓腔—歧管—發動機。在進氣過程中，氣體如果流動不均勻會對發動機進氣質量產生較大影響，影響燃料使用效率。進而影響發動機發揮其各項性能乃至影響整車的性能[1]。因此，對賽車發動機的進氣系統的結構進行分析和優化，提高發動機的充氣效率十分重要。本文首先根據大賽對方程式賽車的規定以及文獻資料，通過計算等確定了進氣的各部分參數，然后利用CATIA建立進氣系統的三維模型，之后利用ANSYS FLUENT進行了分析。并根據分析結果進行了優化，最后取得了比較好的效果，為今后進氣系統的改進指明了方向。

1 進氣系統參數確定

1.1 進氣限流閥尺寸確定

大學生方程式汽車大賽要求控制進氣量，主要是為了控制發動機功率，保障參賽者的安全，避免發生事故。“仿真用ANYSY Fluent軟件，壓力出入口壓差暫定標準大氣壓。研究使用CBR 600RR款發動機，根據進氣歧管質量流量來判斷模型的優劣。大賽規定限流閥為直徑不大于20mm，為了增大進氣量，選擇直徑20mm的限流閥，又通過文獻資料查詢到限流閥的進口漸縮角范圍為10～20°，出口擴張角范圍為5～7°”[2]。本文初步確定的進口減縮角為18°，出口擴張角為6°。

1.2 進氣總管長度確定

在發動機低轉速時汽油機進氣總管長度對性能影響較大，而高轉速時作用很小。在比賽時賽車的轉速通常在高轉速狀態下，所以對進氣總管的長度要求不高。因為使用了限流閥，需要對總管用fluent軟件進行分析；又由于基于方程式賽車的發動機進氣系統設計是在大賽規則下的最優設計，對設計的考慮因素有滿足方程式賽車的外框定義，本文進氣系統設計是進氣口朝上的設計，也要避免與賽車頭枕的干涉[3]。所以選擇進氣總管長度為282mm。

1.3 穩壓腔的結構參數設計

穩壓腔可以給進入空氣穩定的空間，讓歧管進氣更加均勻。穩壓腔體積較大時，進氣均勻度就會變得更好，對提高充氣效率越有利，但是如果體積過大就會導致氣門遲滯，踩下油門，加速效果也會有遲滯現象。因為我們還不能做到氣門遲滯的模擬，只能使用經驗值，經驗值一般在2.5——3.5L[4]，本文初步確定的體積為2.8L。

1.4 進氣歧管的結構參數確定

發動機的進氣歧管參數對進氣有很大的作用。第一，當進氣歧管的長度比較短時，它的進氣阻力就會相應變小，由此我們可設計進氣歧管盡可能短；第二是進氣歧管的動態效應，進氣的過程不是瞬間完成的，是一個運動的過程，在空氣流動過程中，歧管內的壓力不是固定不變的，這種壓力變化也會對進氣效率產生影響。并不是所有的情況下，歧管變短都會有利。當發動機轉速不高時，歧管長度太短也不能增加進氣效率[5]。因此，在綜合考慮的基礎上（既要提升各工況的進氣效率，又要利用好進氣諧振作用，還要符合比賽要求）使歧管的長度盡量小。本學校使用是摩托高轉速發動機，在比賽中轉速一般在6000—11000r/min，那么它的進氣歧管可以設計的短一些 [6]。

發動機的進氣過程是不連續的、周期性的，每個工作循環進氣一次。由于進氣有著這種特性，進氣歧管內會生成一種波，它會對歧管內的氣體產生壓力，這種壓力波會在機構內傳播。Helmholtz提出了進氣諧振理論并驗證了其準確性。利用適當大小進氣歧管和一定大小穩壓腔相適應，在進氣過程中可以在進氣歧管內產生壓力波，增大歧管內壓力，使進氣量變多一些。

所以通過進氣諧振理論讓進氣歧管與穩壓腔組成諧振系統[9]，計算得出歧管長度在常用轉速8000r/min時為為76mm。

進氣歧管出口要略大于或等于氣缸進口，查詢氣缸參數可知氣缸出口直徑為40mm，所以進氣歧管出口直徑可以為40mm或42mm。為使進氣更充足，可以將進氣歧管進口設定略大于進氣歧管出口尺寸，初步確定為45mm。

2 進氣系統模型的建立

根據以上初步確定的進氣系統參數利用CATIA軟件建立了三維模型。見圖1：

對此三維模型進行質量流量分析見圖2：

此次模擬通過質量流量分析結果圖可以看出總的質量流量為0.0659kg/s。距離標準值0.070kg/s還有一段距離，其他四個進氣歧管中間兩個管1、2明顯比兩端進氣歧管3、4要大很多，質量流量在四個管中并不均勻，需要進行優化。

對此三維模型進行流場分析見圖3：

通過這個流場圖可以看出，氣體流線在穩壓腔中流動沒有規律，比較凌亂。在四個進氣歧管中的氣體流線分布也不均勻。所以需要優化進氣系統的各參數。

3 進氣系統優化過程

3.1 限流閥進口漸縮角的優化

由文獻資料查詢到的限流閥進口漸縮角取值范圍為10°到20°，所以采用單一變量分析的方法，其他參數不變。因為限流閥總長度不能超過外框定義，并且節氣門大小確定的，直徑為28mm，所以通過調整20mm圓環與28mm的圓環距離來調整進口漸縮角，從10°開始以1°的間隔遞增到20°進行仿真分析，見表1：

將分析結果畫成柱狀圖，見圖4：

根據以上的仿真結果可以看出總的質量流量隨著進口漸縮角的增大先增多后減少，峰值在15°，總質量流量為0.0661kg/s流體在管中的流動符合連續性方程（同一管中截面面積與流體流速的乘積為一定值）角度太小時進氣口小于節氣門大小會使進氣量不足，等于節氣門大小事會超過大賽規則外框，角度太大時，進口氣體流速變慢也會使進氣量變小。所以分析對比得出適宜角度為15°，其質量流量分析結果如圖5所示：

3.2 限流閥出口擴張角的優化

對于限流閥出口擴張角來說，5°到7°是它的經驗值，同樣采用單一變量分析，得出不同出口擴張角角度下的總質量流量結果，見表2：

將分析結果繪成柱狀圖，見圖6：

根據以上的分析結果可以看出進氣系統總的質量流量隨著出口擴張角的增大先增大后減小，在7°時得到峰值0.0687kg/s雖然查閱資料得到的出口擴張角的經驗值為5°到7°，但是為保證準確性，在8°時同樣進行了仿真模擬，使結果更加準確。

同樣，由連續性方程可知，出口擴張角角度變大導致穩壓腔內氣體流速變慢，不利于進氣，而且出口擴張角角度變大會客觀上增大穩壓腔體積，可能會導致剎車遲滯現象。在出口擴張角為7°時的質量流量結果如圖7：

3.3 對穩壓腔進行優化

因為進氣系統的四個歧管的位置是由氣缸確定的，不能改變，穩壓腔的長度要滿足歧管位置的要求由于穩壓腔經驗值最大為3.5L，體積不大，所以采用腔體長度不變，改變直徑大小來控制穩壓腔體積的方法來進行建模分析。分析結果見表3：

分析結果柱狀圖見圖8：

可以看出穩壓腔隨體積的變化，進氣總質量流量先增大后減小，在3.2L時取得最大值但是總體變化不大，因為穩壓腔主要影響氣門遲滯。在所取經驗值范圍內，不會引起氣門遲滯現象，所以這里不考慮。其仿真結果見圖9。

3.4 進氣歧管的優化

進氣歧管長度由以上進氣諧振公式將新的穩壓腔體積帶入到公式中，計算可以得出進氣歧管長度近似為70mm。

由以上質量流量分析結果可以看出來，中間的1、2歧管的質量流量明顯高于兩端進氣歧管3、4，造成四缸進氣不均勻。原裝發動機的四個進氣歧管都是一樣的，尺寸相同，因為氣體流到穩壓腔兩邊的比中間兩管要少，所以需要改變兩邊歧管尺寸，增加歧管3和歧管4入口直徑，增大進氣量使四管質量流量基本相同，以1mm為間隔增加進氣歧管的入口直徑，中間兩管入口直徑為原直徑45mm，而四個歧管出口直徑都與原模型一樣為42mm，入口直徑為48mm時，四個歧管質量流量比較均勻，仿真結果見圖10：

優化后的仿真結果，總的質量流量已經接近理想的0.07kg/s，并且四個進氣歧管的質量流量分布均勻。

4 優化結果與結論

4.1 優化前后參數對比

本次ANSYS仿真優化分別對進氣系統的進口漸縮角、出口擴張角、穩壓腔體積以及進氣歧管的長度和歧管進口直徑進行了優化優化前后參數對比見表4：

4.2 優化前后質量流量對比

優化前后質量流量分析結果也有很大的不同，見圖12、圖13：

比較兩張分析圖可以明顯看出通過計算機仿真分析和單一變量分析方法優化進氣系統的各部分參數，使得進氣系統總進氣質量流量增加達到了0.0697kg/s，與理想值0.070kg/s的差距不大，此理想值是吉林大學實驗室通過實驗測量得出。四個進氣歧管也由不均勻變得比較均勻，滿足了發動機四缸進氣均勻的要求。

4.3 優化前后進氣流場分析的對比

對優化后的模型進行流場分析，見圖14：

與優化前流場圖3對比，可以明顯看出優化后的進氣系統中空氣流動的比優化前的均勻，比優化前的有規律，流線在穩壓腔中流動路程比優化前短提升了進氣效率。在歧管中，可以看出流線數量在四個歧管中的數量基本相同，優化后的模型在質量流量方面已經基本達到了要求。

參考文獻：

[1]李志豐， FSAE賽車發動機進氣系統改進設計及流場特性分析[D].湖南：湖南大學， 2008：6-7.

[2]彭才望， FSAE賽車用發動機進氣性能研究[D]， 廣東：廣東工業大學， 2013，13-20.

[3]徐鵬， 發動機進氣道數值模擬與優化設計， [D]山西：中北大學， 2014， 23-27.

[4]鄧召文 紀純偉， FSG賽車進氣系統CFD設計開發[J] 汽車工程師， 2013， 31-35.

[5]李鑫 熊銳， 進氣歧管的管長和管徑對發動機性能影響的探討[C]廣東， 廣東工業大學學報， 2013， 97-100.

[6]范愛花， 基于CAD/CFD的塑料進氣歧管流場分析及結構改進[D]哈爾濱： 哈爾濱工業大學， 2011，26-32.