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

進(jìn)氣歧管氣道流場(chǎng)CFD分析及優(yōu)化

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

進(jìn)氣歧管的氣道結(jié)構(gòu)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣量和進(jìn)氣均勻性，因此合理的氣道結(jié)構(gòu)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。通過三維CFD仿真計(jì)算展現(xiàn)進(jìn)氣歧管氣道內(nèi)部微觀流場(chǎng)分布，以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)降低進(jìn)氣壓損、增加進(jìn)氣量和保證各缸進(jìn)氣均勻性的目的。

進(jìn)氣歧管；氣道結(jié)構(gòu)；流場(chǎng)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

進(jìn)氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能零件之一，其主要作用是為發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行提供均勻、穩(wěn)定的進(jìn)氣量，保證各缸進(jìn)氣的均勻性。發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的最大進(jìn)氣量是保證發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率得以實(shí)現(xiàn)的前提，均勻性差，會(huì)產(chǎn)生扭矩輸出不穩(wěn)定、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)大、排放增加等問題[1]。合理地設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)，不僅可以降低進(jìn)氣壓損，增加進(jìn)氣量，還可以保證各缸進(jìn)氣的均勻性。因此，進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和排放特性的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[2]。

通過三維CFD仿真軟件STAR CCM+，從微觀上展現(xiàn)進(jìn)氣歧管內(nèi)部流場(chǎng)分布，并以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)降低進(jìn)氣壓損、增加進(jìn)氣量和提高進(jìn)氣均勻性的目的[3]。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，CAD和CFD相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，能有效減少前期樣件試制和試驗(yàn)，縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，更為重要的是提高設(shè)計(jì)精度[4]。

1 進(jìn)氣歧管三維CFD仿真分析概述

進(jìn)氣歧管氣道CFD仿真計(jì)算，可以通過數(shù)值模擬，展現(xiàn)歧管氣道內(nèi)部的微觀流場(chǎng)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(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)評(píng)估進(jìn)氣歧管進(jìn)氣阻力和各缸進(jìn)氣的均勻性，為氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供三維流場(chǎng)分布和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在進(jìn)氣歧管氣道三維CFD仿真的過程中，常規(guī)的計(jì)算方法是只計(jì)算進(jìn)氣歧管的氣道結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣流場(chǎng)分布的影響。事實(shí)上進(jìn)氣歧管前、后的氣道也都會(huì)對(duì)進(jìn)氣歧管流場(chǎng)分布產(chǎn)生一定的影響(如圖1所示)，因此，在進(jìn)行進(jìn)氣歧管CFD仿真計(jì)算的過程中，為增加真實(shí)性，建議同時(shí)考慮節(jié)氣門及缸蓋氣道對(duì)進(jìn)氣歧管流動(dòng)性能的影響。

文中進(jìn)行進(jìn)氣歧管氣道穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真計(jì)算，每缸氣道單獨(dú)計(jì)算，評(píng)估流場(chǎng)分布、進(jìn)氣壓損、質(zhì)量流量及各缸進(jìn)氣均勻性等，以此評(píng)價(jià)進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)并為氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

2 某進(jìn)氣歧管穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)CFD仿真計(jì)算流程

進(jìn)氣歧管穩(wěn)態(tài)CFD模擬分析流程圖[4]如圖2所示。

2.1 氣道CAD數(shù)據(jù)

進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)三維構(gòu)建，并聯(lián)合節(jié)氣門和缸蓋氣道一同導(dǎo)出STL格式文件。為減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，在每缸氣道計(jì)算的過程中，可將其他氣道切除，如圖3所示。

2.2 生成網(wǎng)格

采用STAR-CCM+軟件生成Polyhedral Mesh網(wǎng)格，如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)25萬。

2.3 模型選擇

此次計(jì)算采用三維穩(wěn)態(tài)，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(shè)置流體(工質(zhì))屬性。

2.4 初始條件設(shè)置

以出口壓力和溫度作為環(huán)境壓力初始值。

2.5 邊界條件設(shè)置

進(jìn)氣歧管穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算邊界條件設(shè)置有以下兩種方法：

(1) 入口定質(zhì)量流量，計(jì)算各缸進(jìn)出口壓差。

入口邊界：選擇質(zhì)量流量入口，并設(shè)置流量、溫度。

出口邊界：選擇壓力出口，并設(shè)置壓力和溫度。

壁面邊界：采用無滑移壁面邊界，絕熱狀態(tài)。

優(yōu)點(diǎn)：能更敏感地展示氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)進(jìn)氣壓損和壓損均勻性的影響。

(2) 定進(jìn)出口壓差，計(jì)算各缸質(zhì)量流量。

入口邊界：選擇壓力入口，并設(shè)置壓力、溫度。

出口邊界、壁面邊界與方法一一致。

優(yōu)點(diǎn)：更接近實(shí)際動(dòng)行工況，展現(xiàn)實(shí)際各缸進(jìn)氣量和進(jìn)氣均勻性。

綜上，在進(jìn)氣歧管氣道開發(fā)的過程中，作者建議先采用方法一進(jìn)行氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到較優(yōu)的壓損和壓損均勻性后，再由方法二進(jìn)行最終的評(píng)價(jià)。

2.6 求解松弛因子設(shè)定

關(guān)于松弛因子的設(shè)定，可按表1進(jìn)行設(shè)置，其他采用默認(rèn)值即可。

表1 松弛因子值

2.7 迭代次數(shù)及殘差

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

2.8 輸出結(jié)果設(shè)置

設(shè)置檢測(cè)面(如圖3)，以監(jiān)測(cè)氣道不同部分的壓力損失；設(shè)置壓力、流線顯示等，以展現(xiàn)進(jìn)氣歧管微觀流場(chǎng)分布。

2.9 評(píng)價(jià)計(jì)算結(jié)果

評(píng)價(jià)氣道內(nèi)部流場(chǎng)分布、壓力損失或質(zhì)量流量以及流動(dòng)均勻性等。若不滿足要求，重新返回步驟(1)進(jìn)行氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化；若滿足要求，則可進(jìn)行后續(xù)工作。

3 仿真結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以第一方法邊界條件進(jìn)行計(jì)算，原進(jìn)氣歧管氣道仿真結(jié)果如圖5—7所示：進(jìn)氣歧管氣道內(nèi)氣流流線和速度分布較為合理，各缸氣道無分離和渦流現(xiàn)象，但進(jìn)氣總管至穩(wěn)壓腔的過渡較大，穩(wěn)壓腔內(nèi)有較大的渦流生成，各缸壓損均勻性較差。

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)進(jìn)氣歧管氣道進(jìn)行優(yōu)化，主要是：加大進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔的過渡倒角，采用變截面穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)，切除部分穩(wěn)壓腔，以及各缸氣道與穩(wěn)壓腔接口處采用不等倒圓角結(jié)構(gòu),如圖8所示。

如圖9所示，對(duì)比優(yōu)化前后流線分布，優(yōu)化后的進(jìn)氣總管與穩(wěn)壓腔的過渡有改善，穩(wěn)壓腔內(nèi)的流動(dòng)改善尤其明顯，穩(wěn)壓腔內(nèi)的渦流被有效地限制。

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

以優(yōu)化后的氣道，進(jìn)行第二方法邊界邊條件輸入計(jì)算。各缸氣道質(zhì)量流量仿真結(jié)果如圖12所示，均勻性±1%以內(nèi)，滿足均勻性要求[5]。

結(jié)合流場(chǎng)分布和壓損值，可以判斷該進(jìn)氣歧管氣道滿足發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣量和進(jìn)氣均勻性的要求，該進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)滿足性能要求，可凍結(jié)氣道結(jié)構(gòu)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

以凍結(jié)后的進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，推進(jìn)進(jìn)氣歧管初步工藝設(shè)計(jì)，并開展快速樣件試制，以搭載發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱力學(xué)開發(fā)試驗(yàn)。如圖13所示，進(jìn)氣歧管樣件搭載在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)結(jié)果表明:文中開發(fā)的進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)滿足某發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率、扭矩及各缸進(jìn)氣均勻性的要求，該進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，可進(jìn)行后續(xù)的模具數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)及試制。

5 總結(jié)

在進(jìn)行某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，作者有效地運(yùn)用CFD仿真軟件展現(xiàn)進(jìn)氣歧管內(nèi)部微觀流場(chǎng)分布，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示：優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管能有效地引導(dǎo)進(jìn)氣流場(chǎng)分布、減小進(jìn)氣過渡時(shí)突變、限制渦流的產(chǎn)生，達(dá)到降低進(jìn)氣壓損和提高進(jìn)氣均勻性的目的。通過樣件試制及臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，表明該進(jìn)氣歧管達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)各缸所需的進(jìn)氣量和進(jìn)氣均勻性的要求，保證發(fā)動(dòng)機(jī)性能目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

【1】 王晗,蔡憶昔,毛笑平.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)不均勻性的三維數(shù)值模擬[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2007,36(3):41-44.

【2】 許元默,帥石金,王建昕.電噴汽油機(jī)進(jìn)氣歧管CAD/CFD設(shè)計(jì)[J].汽車工程,2002,24(4):314-317.

【3】 帥石金,王志,王建昕.發(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CFD虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)[J].汽車工程,2006,26(5):581-584.

【4】 黃鍵,李世仲,黃劍峰.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的發(fā)展及CFD技術(shù)的應(yīng)用[J].海峽科學(xué),2010(12):128-130.

【5】 崔怡,高瑩,李君,等.進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣均勻性影響的仿真研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)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(xué)碩士，工程師，研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)。E-mail:huangyingming@gaei.cn。