基于ANSYS的FSAE賽車發動機進氣系統仿真分析

朱布博，孫少杰

（陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710018）

前言

中國大學生方程式賽車大賽要求參賽學生依照大賽規則設計并制造一輛方程式賽車，比賽規則對發動機的排量和進氣系統做出了規定和限制，本文簡要介紹發動機進氣系統設計情況，利用ANSYS中的FLUENT模塊對其進行穩態與瞬態模擬，優化參數和結構，以增大與平衡發動機各缸進氣量。

1 限流閥仿真分析

大賽設置限流閥的主要目的在于限制發動機功率，因此，應盡量降低限流閥對氣流的阻礙，增大進氣量，提高發動機功率。本文建立不同入口、出口尺寸限流閥的三維模型，用ANSYS進行流體仿真并對比分析，觀察其流量、壓強等參數[1]。限流閥結構如圖1所示。

圖1 限流閥結構

1.1 有限元模型

限流閥入口控制尺寸為直徑與錐角，在這一過程的損失主要來自摩擦阻力，為了減小摩擦，應該盡量選取較小的錐角。并設定限流閥入口處的錐角為φ，入口直徑為D。

出口控制尺寸為長度和出口錐角，由于長度和出口直徑是成正比關系的，故仿真時使用出口直徑計算。這一過程氣流流速逐漸減小，壓力回升，回升率的大小決定性能好壞，并且對進氣量的影響程度大于入口尺寸。定義錐面之間的夾角為θ，出口直徑為d。

1.2 有限元分析

（1）湍流方程與邊界條件

FLUENT中用的較多的湍流模型有雷諾茲壓力模型、Spalart-Allmaras模型，大型艾迪仿真模型、標準RNG模型、標準Realizable k-ε模型等。本文選用標準k-ε湍流模型[2]。

計算區域的邊界包括進出口邊界和固體壁面兩種：

①進出口邊界。進口邊界條件和出口邊界條件為別設為1atm和0.98atm；湍流強度為5%，湍流粘度比為0.5。②固壁邊界。固壁邊界為壁面，速度選取無滑移[3]。（2）限流閥形狀分析

不同形狀限流閥出口處空氣流量如表1與表2所示。

表1 不同入口形狀限流閥出口流量分析結果

表2 不同出口形狀限流閥出口流量分析結果

從表1可以看出，入口錐角角度、入口直徑越小流量越大，但總體變化不明顯；從表2得出，當出口直徑固定不變時，如果取較大的出口錐角，則出口長度會隨之減小，導致氣體流量減小；當出口錐角固定不變時，如果取較大的出口直徑，出口長度也會隨之增大，從而導致氣體流量增大，將兩個表格進行對照可以發現，限流閥出口形狀對流量的影響比入口程度大。

2 集氣室仿真優化

FSAE大賽發展至今，發動機進氣系的設計樣式已經存在很多種，其主要區別表現在集氣室上。多缸發動機中各缸進氣的不均勻性，會導致各缸空燃比的不同，從而使各缸燃燒過程產生差異[4]。本文對兩種不同形狀集氣室的進氣系統進行瞬態分析，對比其進氣不均勻性和氣流流動情況。

2.1 進氣系統模型

利用CATIA進行建模，得到了如圖2所示的兩種進氣系統的三維模型，兩種進氣系統集氣室形狀不同，二者各有優點，左側的進氣系統采用圓筒形的集氣室，這種進氣系統形狀簡單，制造難度小；而右側進氣系統的集氣室形狀為曲面的，這種進氣系統最大的優點是流線型好，氣體流動阻力小。建立模型時，兩種進氣系統的集氣室體積均為1L。

圖2 兩種形狀的進氣系統

2.2 進氣系統有限元對比分析

（1）湍流方程與邊界條件

瞬態模擬中，除出口邊界為 UDF編寫的周期壓力函數外，其余與限流閥相同。本文模擬計算發動機在8000轉時進氣系統中的氣流狀態[5]。

（2）進氣系統集氣室形狀選取

圖3 圓筒型進氣某時刻流線圖

圖4 曲面型進氣某時刻流線圖

通過對兩種不同類型的進氣系統進行分析得到如圖3和圖4所示的進氣狀態模擬圖，通過對比發現，圖4中的氣體流動更加平穩順暢，氣體流動效果好，故曲面型進氣系統的進氣效果更好。

另外，發動機進氣不均勻性越小，進氣效果越好，該性能可以用最大不均勻度E來評價[6]：

式中：Qmax——歧管出口質量流量最大值；

Qmin——歧管出口質量流量最小值；

Qme——歧管出口質量流量平均值。

某一周期各歧管的最大質量流量如表3與4所示，由表中的數據可以計算出曲面型和圓筒型的進氣系統的進氣不均勻度分別是12.14%和24.2%，由此可知曲面型進氣系統的進氣狀態更加均勻，進氣效果好，且各出口的質量流量更大。

表3 曲面型進氣系統出口端面流量

表4 圓筒型進氣系統出口端面流量

2.3 曲面型進氣系統有限元優化分析

（1）歧管倒角對進氣不均勻性的影響

將曲面型進氣的集氣室與歧管連接處做圓角處理，可得到進氣不均勻度E降低為11.29%。

（2）體積對進氣均勻性的影響

建立兩種體積為1.4L與1.7L的曲面型進氣系統模型，以分析集氣室體積對進氣均勻性的影響，通過 FLUENT仿真，得到兩種模型各出口的最大質量流量如表5與表6。

表5 體積為1.4L出口端面質量流量

表6 體積為1.7L出口端面質量流量

由上述數據可知，1.4L的進氣不均勻度為9.52%，1.7L為6.40%，因此隨著集氣室體積增大，發動機進氣更加均勻，進氣量也稍有增加，能夠提高燃燒的質量和發動機功率。

3 結論

根據對進氣系統限流閥與集氣室的分析結果，同時考慮布置空間和比賽規則，我們可以確定進氣系統的尺寸與形狀，具體如下：

（1）限流閥入口和出口錐角分別取32°和12°，入口和出口直徑分別取40mm和70mm；

（2）采用1.7L的曲面型集氣室進氣系統，并對歧管和集氣室連接處做圓角處理。

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].長沙:湖南大學,2008.

[2] 蔣炎坤.CFD 輔助發動機工程的理論與應用[M],北京:科學出版社,2004.

[3] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

[4] 周龍保.內燃機學[M].北京:機械工業出版社,1998.

[5] 周穎.發動機瞬態進氣流動特性三維數值模擬研究[J].小型內燃機與摩托車,2007,36(5).

[6] 王晗.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).