劉俊，張超，馬勇，常耀紅，喻春鳳

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

CFD分析在某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉俊，張超，馬勇，常耀紅，喻春鳳

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

摘要：以某發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管為分析對(duì)象，模擬得出各進(jìn)氣支管的質(zhì)量流量、流量系數(shù)及它們的偏差，并且得到其壓力分布圖和流動(dòng)跡線分布圖，根據(jù)這些結(jié)果可評(píng)價(jià)進(jìn)氣歧管性能的好壞。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管開發(fā)過(guò)程中，利用CFD分析可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低試驗(yàn)和人工成本。

關(guān)鍵詞：CFD分析；進(jìn)氣歧管

0　引言

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的作用是盡可能多和均勻地向各個(gè)氣缸供應(yīng)新鮮的空氣。進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(gè)氣缸對(duì)應(yīng)的缸蓋進(jìn)氣道。進(jìn)氣歧管性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的大小，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，必須對(duì)進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性進(jìn)行分析，確保其滿足一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

文中分析的對(duì)象是某發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管，模擬得出各進(jìn)氣支管的質(zhì)量流量、流量系數(shù)及它們的偏差，并且得到其壓力分布圖和流動(dòng)跡線分布圖，從這些結(jié)果中評(píng)價(jià)進(jìn)氣歧管性能的好壞。CFD分析在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)中發(fā)揮了越來(lái)越大的作用。

1　模型建立

1.1數(shù)模

圖1為文中分析的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)。

新鮮空氣從進(jìn)氣歧管入口進(jìn)入穩(wěn)壓腔，然后經(jīng)各進(jìn)氣支管流動(dòng)到進(jìn)氣歧管出口。

1.2網(wǎng)格劃分

對(duì)進(jìn)氣歧管模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖2。體網(wǎng)格總數(shù)約為25萬(wàn)，其中大部分為六面體網(wǎng)格。為了給進(jìn)出口位置指定邊界條件，在進(jìn)氣歧管進(jìn)出口處分別設(shè)置selection。進(jìn)氣歧管入口為BC_inlet，各進(jìn)氣支管對(duì)應(yīng)出口分別為Cylinder1～4。

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(jìn)出口邊界面出現(xiàn)回流情況，在進(jìn)出口面處各拉伸30層左右的網(wǎng)格。

1.3求解器參數(shù)

由于在進(jìn)氣歧管中流動(dòng)的介質(zhì)為新鮮空氣，計(jì)算中假設(shè)流動(dòng)是不可壓縮的。采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時(shí)間項(xiàng)，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-ξ-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，且要求貼近壁面的網(wǎng)格的y+值在11～200之間。殘差小于0.000 1。

1.4計(jì)算工況及邊界條件

文中計(jì)算的工況為1個(gè)進(jìn)氣歧管支管打開，其他3個(gè)進(jìn)氣歧管支管關(guān)閉?？偣灿?jì)算了4個(gè)工況，見(jiàn)表1。

文中計(jì)算的邊界條件：入口指定總壓邊界，出口指定靜壓邊界。

2　計(jì)算結(jié)果分析

2.1評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)4個(gè)進(jìn)氣支管的質(zhì)量流量是否均勻通常是評(píng)價(jià)進(jìn)氣均勻性的常用方法。一般要求4個(gè)進(jìn)氣支管的流量最大最小偏差控制在5%以內(nèi)。

(2)流量系數(shù)計(jì)算公式如下所示：

其中：mth為理論流量(kg/h)；R為氣體常數(shù)(287.14 kJ/kg)；T為溫度(K)；p為出口壓力(Pa)；p0為出口壓力(Pa)；Aref為面積(m2)；Ψ為流量因子(-)；κ為絕熱指數(shù)(1.41)；mcalc為計(jì)算質(zhì)量流量(kg/h)；α為流量系數(shù)(-)。

一般要求進(jìn)氣歧管流量系數(shù)最大最小偏差在±2.5%內(nèi)。

2.2計(jì)算結(jié)果

(1)質(zhì)量流量、流量系數(shù)及它們的偏差

表2為進(jìn)氣歧管各支管各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，包括質(zhì)量流量、質(zhì)量流量偏差、流量系數(shù)、流量系數(shù)偏差。

進(jìn)氣支管一至支管四對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量分別為0.090 49、0.091 73、0.092 88、0.090 9 kg/s。質(zhì)量流量最大正偏差出現(xiàn)在進(jìn)氣支管3，其值為1.51%。質(zhì)量流量最大負(fù)偏差出現(xiàn)在進(jìn)氣支管1，其值為-1.1%。該進(jìn)氣歧管質(zhì)量流量最大最小偏差值為2.61%，在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

進(jìn)氣支管一至支管四對(duì)應(yīng)的流量系數(shù)分別為0.824 3、0.835 6、0.846 1、0.828 0。與質(zhì)量流量趨勢(shì)一致，流量系數(shù)最大正偏差出現(xiàn)在進(jìn)氣支管三，其值為1.51%。流量系數(shù)最大負(fù)偏差出現(xiàn)在進(jìn)氣支管一，其值為-1.1%。該進(jìn)氣歧管流量系數(shù)最大正偏差和負(fù)偏差均在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

(2)壓力分布和速度分布

由于篇幅有限，文中只列出質(zhì)量流量偏差和流量系數(shù)偏差最大正偏差和最大負(fù)偏差對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣支管一和三。圖3為對(duì)應(yīng)的進(jìn)氣歧管壓力分布圖。可以看出：壓力從入口到出口逐步降低，沒(méi)有壓力發(fā)生突變的部位。

圖4為進(jìn)氣支管一和三的速度跡線圖。可以看到氣體從進(jìn)氣歧管入口進(jìn)入后，在穩(wěn)壓腔內(nèi)部和支管的流動(dòng)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)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管進(jìn)行CFD分析，得到以下結(jié)論：

(1)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管質(zhì)量流量偏差和流量系數(shù)偏差均在各自評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，滿足進(jìn)氣歧管進(jìn)氣均勻性要求；

(2)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，CFD分析可以大大減少產(chǎn)品開發(fā)周期、降低試驗(yàn)和人工成本。

Application of CFD Analysis in the Design of the Intake Manifold

LIU Jun, ZHANG Chao, MA Yong, CHANG Yaohong, YU Chunfeng

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230022,China)

Abstract:The intake manifold of one engine was taken as analysis object. The mass flow，the flow coefficient and the difference of them were obtained through simulation, also the pressure distribution and the flow streaming distribution were obtained. The performance of the intake manifold was evaluated according to these results. In the development process of the intake manifold, the cycle of the product development, the cost of the test and manpower were reduced greatly by CFD analysis.

Keywords:CFD analysis; Intake manifold

收稿日期：2014-12-05

作者簡(jiǎn)介：劉俊(1985—)，男，學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)。E-mail：563420286@qq.com。

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