基于star-ccm+進(jìn)氣歧管的穩(wěn)態(tài)CFD分析*

李 軍, 武 磊, 向 璐

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

基于star-ccm+進(jìn)氣歧管的穩(wěn)態(tài)CFD分析*

李 軍*, 武 磊, 向 璐

(重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的質(zhì)量流量及其均勻性，通過使用star ccm+對中間進(jìn)氣和側(cè)面進(jìn)氣兩種不同結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣歧管的質(zhì)量流量及均勻度進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD分析，并找出影響缸內(nèi)氣體流動(dòng)的因素，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使得進(jìn)氣歧管穩(wěn)態(tài)流通性能提升.

進(jìn)氣歧管；CFD分析；發(fā)動(dòng)機(jī)

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的性能好壞直接影響到缸內(nèi)混合氣的形成，而進(jìn)氣歧管與進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)是影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能的兩個(gè)重要因素.進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)最重要的組件之一，其進(jìn)氣均勻性將影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)空氣充量大小和進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，造

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

成各缸燃燒過程的差異，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性.因此，通過CFD分析獲取進(jìn)氣歧管內(nèi)的詳細(xì)流場信息成為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中的一個(gè)重要步驟[1].

本文研究的對象是某1.6 L自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的兩種不同結(jié)構(gòu)的進(jìn)氣歧管：方案一為中間進(jìn)氣，方案二為側(cè)面進(jìn)氣，通過使用star-ccm+對各缸進(jìn)氣流量的均勻性和歧管內(nèi)部的流動(dòng)情況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析.發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表1所示.

1 三維模型

利用PRO/E繪制出進(jìn)氣歧管的三維圖形，分別建立其進(jìn)氣歧管兩種布置設(shè)計(jì)情況.方案一是中間進(jìn)氣，如圖1所示；方案二是側(cè)面進(jìn)氣，如圖2所示.

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算網(wǎng)格

將繪制的三維模型導(dǎo)入Hyper-mesh軟件生成三角形面網(wǎng)格，把面網(wǎng)格導(dǎo)入star ccm+，利用star- ccm+生成多面體網(wǎng)格.多面體網(wǎng)格具有6面體網(wǎng)格的精度且兼具4面體網(wǎng)格的易生成性，所以在star ccm+中生成的多面體網(wǎng)格具有比四面體網(wǎng)格更好的收斂性和更小的網(wǎng)絡(luò)依賴性，可以極大地降低對硬件資源的要求和計(jì)算時(shí)間[2].

2.2 計(jì)算模型

本文中進(jìn)氣歧管的流動(dòng)計(jì)算所采用的湍流模型為RANS算法中的Realizablek-εTwo-Layer Model，模型中的系數(shù)采用默認(rèn)值.壁面函數(shù)采用Two-Layer Ally+ Wall Treatment，固壁面采用無滑移邊界條件，離散格式采用的是2nd Order (二階迎風(fēng)格式)，計(jì)算工況為一個(gè)缸打開，其他三個(gè)缸關(guān)閉.因此總共將計(jì)算四個(gè)工況情況，分別為以第一至第四缸打開時(shí)，其余缸關(guān)閉的四種不同工況.

2.3 邊界條件

進(jìn)氣系統(tǒng)入口邊界條件設(shè)置為進(jìn)口總壓100 kPa，出口邊界條件為出口靜壓97.5 kPa，進(jìn)氣的空氣密度1.225 kg/m3.

3 結(jié)果分析

3.1 壓力分析

圖3和圖4中的a、b、c、d分別表示方案一和方案二各缸的總壓分布圖.

通過對圖3和圖4的對比可得，無論是方案一還是方案二，各缸的壓力變化都不大，表明進(jìn)氣歧管的進(jìn)口位置對壓力的影響較小.

3.2 速度分析

圖5和圖6中的a、b、c、d分別表示方案一和方案二各缸的速度分布圖.

通過對圖5和圖6的對比可得，無論是方案一還是方案二，各缸的速度分布變化都不大，表明進(jìn)氣歧管的進(jìn)口位置對氣流速度的影響較小.

圖7為方案一各缸速度切片圖，從圖中可得進(jìn)氣歧管入口采用方案一時(shí)氣體由進(jìn)氣管進(jìn)入諧振腔后，會(huì)撞擊左側(cè)的諧振腔壁面，并且在諧振腔的右側(cè)存在流動(dòng)的死區(qū)，導(dǎo)致進(jìn)氣的穩(wěn)定性受到影響，因此，需要對諧振腔進(jìn)行優(yōu)化，其具體優(yōu)化方案詳細(xì)內(nèi)容見本文3.5改進(jìn)措施.

3.3 各缸氣流流線分布

當(dāng)進(jìn)氣歧管入口設(shè)置于中間時(shí)，進(jìn)氣氣流經(jīng)過進(jìn)氣管進(jìn)入諧振腔，會(huì)撞擊左側(cè)的諧振腔壁面(如圖8所示)，并在諧振腔兩側(cè)形成渦流漩渦，其后再進(jìn)入各個(gè)缸.在方案一第一缸開啟其余缸關(guān)閉的工況下，系統(tǒng)流線分布如圖8所示.其余各缸開啟時(shí)進(jìn)氣氣流同樣會(huì)經(jīng)進(jìn)氣管進(jìn)入諧振腔，同樣會(huì)對諧振腔左側(cè)壁面產(chǎn)生撞擊，并在諧振腔兩側(cè)形成一定的渦流漩渦，其表現(xiàn)結(jié)果完全一致，因此對其余三缸的流線分布不予以重復(fù)分析，不在此列舉出來.

當(dāng)采用方案二時(shí)，進(jìn)氣氣流經(jīng)側(cè)面進(jìn)氣管進(jìn)入諧振腔，氣流也會(huì)撞擊諧振腔左側(cè)，但此時(shí)撞擊的左側(cè)壁面與方案一速度切片圖撞擊的左側(cè)壁面不是同一個(gè)壁面，同樣會(huì)形成一定的渦流漩渦，其進(jìn)入歧管的流線分布如圖9所示.圖9為方案二第一缸開啟時(shí)的流線分布圖.

3.4 均勻性分析

發(fā)動(dòng)機(jī)各缸進(jìn)氣的不均勻度為σmax.

(1)

式中：Qmax為分支歧管最大出口質(zhì)量流量(kg/s)；Qm為分支歧管平均質(zhì)量流量(kg/s).

方案一和方案二兩種情況下各歧管出口的質(zhì)量流量、不均勻度、流量系數(shù)如表2所示.out1、out2、out3、out4分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)各缸.

表2 計(jì)算結(jié)果

由表2可知，方案一各缸的質(zhì)量流量均小于方案二時(shí)的質(zhì)量流量，但方案一進(jìn)氣的最大不均勻度為0.26%，而方案二進(jìn)氣的最大不均勻度為1.16%，同時(shí)，在相同工況下，方案一的不均勻度均小于方案二時(shí)的不均勻度.說明方案二的質(zhì)量流量較高，方案一的不均勻度較低.

3.5 改進(jìn)措施

目前，該款發(fā)動(dòng)機(jī)采用的進(jìn)氣方案均為方案一，而如表2中分析的數(shù)據(jù)顯示，采用方案一時(shí)其質(zhì)量流量比方案二的質(zhì)量流量小，但其不均勻度均小于方案二.因此我們可以采用改進(jìn)方案一的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以增大該方案的質(zhì)量流量.

本文針對該發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)措施有以下兩種：

(1) 由圖5、圖6分析可知，當(dāng)采用方案一時(shí)第一缸與諧振腔連接處、第二缸和第三缸會(huì)在拐彎處出現(xiàn)局部的高速區(qū).故可以增大該缸與諧振處的倒角角度(如圖10黑色弧線所示)以及拐彎處的曲率半徑，降低進(jìn)氣氣流在連接處的速度，提高各氣缸質(zhì)量流量.

(2) 由圖7各缸速度切片分析可知，氣體由中間進(jìn)氣口的進(jìn)氣管進(jìn)入諧振腔后，會(huì)撞擊左側(cè)的諧振腔壁面，并且在諧振腔的右側(cè)形成一定的渦流流動(dòng)死區(qū)，因此，在進(jìn)氣道及其型腔的設(shè)計(jì)中需進(jìn)行一定的改進(jìn)，以解決這個(gè)問題.具體優(yōu)化方案如下：

I．方案二的優(yōu)化措施如圖11所示，將諧振腔修改為與進(jìn)管垂直，在節(jié)氣門口位置結(jié)構(gòu)由于受到其他結(jié)構(gòu)限制而不能更改的情況下，可采用該方案.

II．方案一優(yōu)化措施如圖12所示，將入口修改為與諧振腔垂直的進(jìn)氣方式，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化，切除右面諧振腔，以減少右側(cè)諧振腔產(chǎn)生渦動(dòng)流動(dòng)死區(qū)的問題.

本文將優(yōu)化后的方案一進(jìn)行進(jìn)氣計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖13所示.從圖13中，我們可以明顯看出，入口垂直于諧振腔后，氣流在諧振腔內(nèi)的流動(dòng)情況得到明顯改善.

優(yōu)化后其質(zhì)量流量得到提高，改進(jìn)后的質(zhì)量流量為190.8 kg/h，大于方案一原方案的187.7 kg/h，同時(shí)也大于方案二原方案的188.2 kg/h,故改進(jìn)后可以得到性能更優(yōu)的進(jìn)氣結(jié)構(gòu).

4 結(jié) 論

通過對兩種不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)的歧管進(jìn)行數(shù)值模擬，我們可得以下結(jié)論：

(1) 采用方案一和方案二時(shí)，各缸氣體的壓力分布和流動(dòng)速度均無太大的差別，方案一氣體的質(zhì)量流量略小于方案二，但其不均勻度優(yōu)于方案二.

(2) 方案一會(huì)在第一缸與諧振腔連接處、第二缸和第三缸拐彎處出現(xiàn)局部高速區(qū)，方案二會(huì)在第三缸拐彎處出現(xiàn)局部高速區(qū)，這些都會(huì)影響缸內(nèi)氣體的流動(dòng)，減少其質(zhì)量流量.

(3) 通過把入口優(yōu)化垂直于諧振腔，并增大連接處倒角和拐彎處半徑，優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管的質(zhì)量流量大于原方案一和原方案二時(shí)的質(zhì)量流量.

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責(zé)任編輯：龍順潮

Based on star-ccm+ Steady CFD Analysis of the Intake Manifold

LIJun*,WULei,XIANGLu

(School of Mechatronics & Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074 China)

The structure of the engine intake pipe of each cylinder of the engine directly affects the mass flow rate and uniformity. The intermediate intake manifold and side intake manifold’ pressure profile、air flow rate and streamline distribution was analyzed by star ccm+，and find to the factors that effect the flow of gas in cylinder，optimization of intake structure is conducted. The steady-state flow performance of intake manifold is improved.

intake manifold；CFD analysis；engine

2015-02-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305472)；重慶市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(CSTC2013yykfB0184)

李軍(1964— ),男，重慶人，教授.E-mail:cqleejun@sina.com

TH16，U463

A

1000-5900(2015)02-0097-05