基于模型耦合仿真的FSC賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039)

·新能源汽車與低碳運輸·

基于模型耦合仿真的FSC賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計

韓偉強(qiáng), 趙萬東, 冷松蓬, 李 鑫

(西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039)

FSC賽事對發(fā)動機(jī)的動力性有較高要求，而規(guī)則中要求對進(jìn)氣加裝限流閥，導(dǎo)致充氣效率大大下降，針對這一問題，需要重新優(yōu)化設(shè)計發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，使其最大效率地提高動力性能。本文采用GT-POWER軟件建立LD450發(fā)動機(jī)一維模型，對不同諧振腔容積和歧管長度以及引流腔容積進(jìn)行仿真分析，得出最佳一維進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)，并使用ANSYS-FLUENT軟件，以GT-POWER軟件后處理作為FLUENT邊界條件進(jìn)行耦合仿真，以出口總壓最大為篩選條件，選出最佳的進(jìn)氣系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，利用模型優(yōu)化出口壓力來提高FSC賽車性能的方法，能使改進(jìn)后的進(jìn)氣系統(tǒng)在一定程度上提高發(fā)動機(jī)的動力性能，解決了賽車因安裝限流閥而產(chǎn)生的發(fā)動機(jī)功率損失。

FSC方程式賽車；GT-POWER軟件；CFD；進(jìn)氣系統(tǒng)；諧振腔

FSC賽事是一項由高等院校汽車工程和汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)，在1年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異性能的小型單人座休閑賽車，能夠成功完成全部或部分賽事環(huán)節(jié)的比賽。FSC2014規(guī)則[1]中要求發(fā)動機(jī)排量小于610 mL；因此各院校選取不同的發(fā)動機(jī)來滿足整個賽事的需求，且隨著賽事的舉辦，較多的院校選擇了單缸機(jī)，如廈門理工學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)等，并對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了全新設(shè)計。洪漢池等[2]通過黃龍JH600發(fā)動機(jī)在滿足方程式賽車規(guī)則下利用正交實驗結(jié)合GT-POWER對諧振進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行匹配計算，從而確定了進(jìn)氣系統(tǒng)的一維參數(shù)；但是缺少對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行更加細(xì)致的三維模型的建模和優(yōu)化以及三維流體仿真分析。在本屆賽事中，根據(jù)總布置的需求，選擇了亞翔LD450單缸發(fā)動機(jī)。由于2014FSC規(guī)則[1]要求在節(jié)氣門之后對氣流進(jìn)行20 mm限流，發(fā)動機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩都受到了很大的損失。利用諧振進(jìn)氣可以有效地提高發(fā)動機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的充量系數(shù)，以解決因安裝限流閥而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)矩和功率的損失[3-6]。本文以亞翔LD450發(fā)動機(jī)為研究對象，通過GT-POWER軟件和ANSYS-FLUENT軟件進(jìn)行耦合仿真設(shè)計，以發(fā)動機(jī)的動力性能為參考，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，最終確定整個進(jìn)氣系統(tǒng)的三維模型。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)模型的建立

1.1一維仿真模型的建立

本次使用GT-POWER軟件，改變pipe的一維參數(shù)，建立起引流腔、限流閥、諧振腔、進(jìn)氣歧管、進(jìn)氣道等，并通過多個pipe之間的連接建立起進(jìn)氣系統(tǒng)的一維參數(shù)，氣門升程、氣缸幾何尺寸等從廠家那里獲取，燃燒模型采用weibo燃燒模型，環(huán)境壓力為0.101 325 MPa，其余參數(shù)按照廠家給出及說明書上得出。排氣系統(tǒng)在滿足總布置情況下，對三維模型使用GEM3D進(jìn)行離散化，得到一維模型，再導(dǎo)入到GT-POWER中，在節(jié)氣門全開下對發(fā)動機(jī)進(jìn)行仿真。在建立一維模型后對發(fā)動機(jī)GT-POWER模型進(jìn)行驗證(通過搭建LD-450發(fā)動機(jī)臺架實驗進(jìn)行驗證，原理圖見圖1，臺架實驗圖見圖2)，發(fā)動機(jī)在工作過程中出現(xiàn)的峰值轉(zhuǎn)矩以及最大功率仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)誤差在5%以內(nèi)(數(shù)據(jù)記錄見圖3)，因此一維模型較準(zhǔn)確(見圖4)。

圖1 LD450臺架實驗驗證以及進(jìn)氣系統(tǒng)初期實驗驗證原理圖

圖2 LD450臺架實驗驗證以及進(jìn)氣系統(tǒng)初期實驗驗證實物圖

圖3 仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)

圖4 LD450 GT-POWER一維模型

1.2三維流體仿真模型的建立

在一維參數(shù)確定后，需進(jìn)行三維模型的確定。本次進(jìn)氣模型空氣經(jīng)過引流腔、節(jié)氣門、限流閥、諧振腔，最后在歧管處進(jìn)行油氣混合進(jìn)入氣缸。一維模型參數(shù)由GT-POWER得出，最后模型見圖5。為了能準(zhǔn)確仿真整個進(jìn)氣系統(tǒng)的流場情況，本文選取引流腔處為入口邊界條件，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道處為出口邊界條件[5]。三維模型通過CAD軟件轉(zhuǎn)化為STP、STEP等導(dǎo)入到前處理軟件ANSYS ICEM CFD進(jìn)行分區(qū)網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接決定CFD仿真的準(zhǔn)確性；因此，使用其六面體網(wǎng)格生成block塊方法，對各個part進(jìn)行網(wǎng)格大小的控制，并調(diào)整網(wǎng)格節(jié)點之間的比例，生成邊界層。block塊見圖6，網(wǎng)格質(zhì)量良好。網(wǎng)格質(zhì)量檢查見圖7，輸出網(wǎng)格，單元總數(shù)為80萬5 321，導(dǎo)入FLUENT中作前處理。

A：引流腔； B：節(jié)氣門 ；C：限流閥； D：諧振腔； E：進(jìn)氣歧管。

圖6 block塊

圖7 網(wǎng)格質(zhì)量檢查

2 仿真方案以及邊界條件的確定

2.1一維仿真方案

GT-POWER仿真過程中，F(xiàn)SC賽事規(guī)則[1]要求整個進(jìn)氣系統(tǒng)不能超出整車的外框，必須安裝在外框內(nèi)(外框定義為從防滾架頂部到4個輪胎的外緣如圖8所示)，且考慮不能與懸架干涉；因此，歧管長度有限。為了考慮賽車在加速上的響應(yīng)，諧振腔的容積不能過大，同時還考慮車手頭部對氣流的影響，因此，本次仿真過程分為2個過程：過程1，在諧振腔容積為2 L的情況下改變歧管長度從100 mm到550 mm進(jìn)行仿真分析，確定歧管長度的一維參數(shù)；過程2，在歧管一維參數(shù)確定后，改變諧振腔的容積從0到3 L的情況下進(jìn)行仿真分析，確定諧振腔容積。

圖8 外框定義

2.2三維仿真方案的確定

FSC賽車在比賽規(guī)則[1]中，耐久賽300分占了很大比例。比賽中彎道很多，為了提高出彎速度，高轉(zhuǎn)矩是關(guān)鍵，所以發(fā)動機(jī)多以6 500 r/min左右作為常用工況；因此，本次分析以發(fā)動機(jī)6 500 r/min下出口壓力作為邊界條件，滿足GT-POWER得出的一維參數(shù)的情況下對諧振腔進(jìn)行優(yōu)化。諧振腔的三維形狀方案1、2、3分別為導(dǎo)彈狀、圓筒狀以及水滴狀，模型如圖9所示。

圖9 諧振腔不同方案模型

2.3三維CFD求解設(shè)置和邊界條件

三維CFD求解是基于守恒方程的求解，也即是N-S方程、動量方程、動能方程和連續(xù)性方程的求解過程。由于進(jìn)氣馬赫數(shù)小于0.5，氣體設(shè)置為不可壓縮，求解過程選擇K-ε方程，其中K為湍動能，ε為湍動耗散率[7-8]。在選取三維CFD仿真分析算法時，由于發(fā)動機(jī)工作過程是瞬態(tài)變化的，邊界條件一直處于波動狀態(tài)，為了使瞬態(tài)過程計算更加易于收斂，本文采用FLUENT的PISO算法。其基于對壓力場的校正將會更加的精確，使求解過程更易達(dá)到理想的殘差值。步長設(shè)置為51 280 ns，計算360步。由于進(jìn)出口邊界條件一直處于波動狀態(tài)，準(zhǔn)確地獲取邊界條件直接決定仿真的精確度；因此本文與GT-POWER軟件直接進(jìn)行耦合仿真，與直接加載邊界條件相比更加精確。在FLUENT中設(shè)置邊界條件，采用GT-POWER計算結(jié)果的1D-COUPLING，在FLUENT開始計算時會自動讀取GT-P0WER的計算結(jié)果，獲得出口的壓力值。湍流強(qiáng)度為0.05，水力直徑為入口直徑[7]。壁面邊界條件采用壁面函數(shù)處理，溫度默認(rèn)，初始化為0。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 GT-POWER仿真結(jié)果

GT-POWER仿真過程1和過程2在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩、功率變化(由GT-POST軟件得出)如圖10、圖11所示。

圖10 有諧振腔歧管長度從100 到550 mm的轉(zhuǎn)矩、功率變化曲線

圖11 諧振腔容積從0到3 L的轉(zhuǎn)矩、功率變化曲線

3.2 GT-POWER仿真結(jié)果

由圖10可得，在諧振腔容積不變的情況下，隨著歧管長度的加長，最大轉(zhuǎn)矩從30.751 N·m增加到34.621 N·m，有11.178%的提升，且最高轉(zhuǎn)矩點向低轉(zhuǎn)速移動；因此，歧管的長度對轉(zhuǎn)矩有很大的影響，但是隨著歧管長度增加到500 mm后，最大轉(zhuǎn)矩不再上升，反而有下降的趨勢。從轉(zhuǎn)速上看：發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在小于4 000 r/min時歧管長度對轉(zhuǎn)矩沒有太大的影響；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6 000 r/min左右時出現(xiàn)峰值轉(zhuǎn)矩；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速大于7 500 r/min，歧管長度大于400 mm時，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩急劇下降，且歧管長度越大于400 mm，下降越明顯；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于7 000 r/min后發(fā)動機(jī)功率隨著歧管長度加長，功率下降越明顯，當(dāng)長度到達(dá)550 mm、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在9 000 r/min時下降到23.921 kW，下降了16.672%。這充分驗證了諧振原理，隨歧管長度的加長，最高轉(zhuǎn)矩點向低轉(zhuǎn)速移動，以及高轉(zhuǎn)速要求短的進(jìn)氣歧管?？紤]到賽車發(fā)動機(jī)在高轉(zhuǎn)速下仍然有較好的轉(zhuǎn)矩，因此歧管長度不能過長，本次賽車發(fā)動機(jī)歧管長度選擇為450 mm。

由圖11可知，諧振腔對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在高于4 000 r/min時有很大的影響，特別在6 500 r/min時轉(zhuǎn)矩差值達(dá)到10.23 N·m，與沒有安裝諧振腔相比有40.25%的提升，可見諧振腔對發(fā)動機(jī)的充量系數(shù)有很大的提升。同時，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于4 500 r/min時，無諧振腔對發(fā)動機(jī)功率有很大的損失，最大差值達(dá)到8.232 kW，在9 000 r/min時下降了35.10%；但是，諧振腔容積在增大到一定范圍時，對轉(zhuǎn)矩的提升效果越來越小：因此考慮到進(jìn)氣系統(tǒng)在賽車中的布置空間有限，以及賽車手在踩油門時的響應(yīng)快慢，諧振腔的容積不能過大，最后得出本次賽車的諧振腔容積為2 L。

3.3 CFD仿真結(jié)果

發(fā)動機(jī)在6 500 r/min下的速度矢量圖如圖12所示，出口總壓如圖13所示。

圖12 進(jìn)氣系統(tǒng)速度矢量圖

圖13 出口總壓

3.4 CFD仿真結(jié)果

根據(jù)圖12得出在同樣的工況，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速6 500 r/min條件下，隨著進(jìn)氣門的升程增加，進(jìn)氣流速逐漸上升，并在限流閥處達(dá)到最大值，分別為133.0、147.5、170.0 m/s,且速度小于0.5馬赫數(shù)；因此，求解設(shè)置為可不壓縮，出口總壓也逐漸上升，并達(dá)到最大值。方案1和方案2在引流腔處出現(xiàn)較大的湍流，在限流閥后端也出現(xiàn)一定程度的湍流，而方案3在整個進(jìn)氣過程中流線較平緩，且湍流強(qiáng)度較小。根據(jù)圖13得出，方案3在進(jìn)氣終了時出口總壓高于方案1和方案2，與方案1相比在進(jìn)氣終了時總壓有2.34%的提升， 與方案2相比有4.28%的提升。在實際循環(huán)過程中，當(dāng)發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速在6 500 r/min附近的時候，在進(jìn)氣過程中，由于活塞的吸入作用，在進(jìn)氣門入口處形成的負(fù)壓波，經(jīng)歧管到達(dá)大氣邊界，反射回一波形相反的正壓波。同時，諧振腔的氣體也會受到負(fù)壓波的擾動，然后傳至上游再反射回來。當(dāng)該缸下次進(jìn)氣產(chǎn)生的波與進(jìn)氣系統(tǒng)殘余的波動相位吻合，各波合成效果為正壓波時，則有利于后續(xù)進(jìn)氣，從而在6 500 r/min附近時，可以提高氣缸的充氣量，充量系數(shù)也會提高。這說明在同樣的工況下方案2在諧振效果上更好，對發(fā)動機(jī)在進(jìn)氣系統(tǒng)安裝限流閥下功率、轉(zhuǎn)矩?fù)p失也相對較小。因此，最終選取本屆發(fā)動機(jī)進(jìn)氣方案2(即圓筒狀)為最佳方案。

4 結(jié)論

本文通過一維軟件到三維軟件的耦合仿真，完成了整個系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，確定了進(jìn)氣系統(tǒng)的三維模型，并滿足了整個賽事的動力需求。

1)單缸機(jī)可以通過諧振進(jìn)氣有效地在一定RPM范圍內(nèi)提高發(fā)動機(jī)的動力性能，且歧管越長，峰值轉(zhuǎn)矩向低轉(zhuǎn)速移動；

2)通過對進(jìn)氣系統(tǒng)的CFD優(yōu)化仿真，可以有效地對局部流動阻力進(jìn)行優(yōu)化，以減小進(jìn)氣系統(tǒng)的流動阻力，從而可以提高進(jìn)氣系統(tǒng)出口壓力，最終表現(xiàn)為工作循環(huán)的進(jìn)氣終了壓力；

3)不同的工況下可以通過歧管長度二級可變或多級可變，來滿足低轉(zhuǎn)速或高轉(zhuǎn)速的動力性需求，即高轉(zhuǎn)速要短的進(jìn)氣歧管，反之更有利于低轉(zhuǎn)速；

4)由于時間的限制，CFD分析沒有進(jìn)行加速工況的仿真優(yōu)化，建議在設(shè)計FSC賽車進(jìn)氣系統(tǒng)時使用瞬態(tài)工況來優(yōu)化設(shè)計，且結(jié)合臺架實驗來進(jìn)行驗證。

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(編校：夏書林)

DesignofFSCRacingCar’sEngineIntakeSystemBasedonModelsCouplingSimulation

HAN Wei-qiang, ZHAO Wan-dong, LENG Song-peng, LI Xin

(SchoolofAutomobileandTransportation,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

FSC events have higher requirement for the engine power performance. However, a flow-limiting valve is required to use according to the rules. This results in a great decreasing in volumetric efficiency. In order to improve the engine performance, the intake system needs better optimization. The one-dimensional model of a LD450 Engine is established with GT-POWER software, and the result of simulation is matched with the experimental data with the error of 5%. According to the simulating analysis on the different plenum volume length of manifold and drainage cavity volume, the optimum parameters of one-dimensional air intake system are obtained. Moreover, by coupling the ANSYS - FLUENT and GT-POWER, and taking the results of the GT-POWER as the Boundary conditions, we selected the best intake system model to meet the highest total pressure. The experimental results show that the method, which using models to optimize the outlet pressure to improve the performance of the FSC racing, makes it possible to enhance the engine power performance by adopting the improved intake system, and engine power loss, caused by the installation flow-limiting valve, is eliminated.

FSC racing；GT-POWER；CFD；intake system；plenum

2015-04-03

四川省教育廳項目(14ZB0128)；流體及動力機(jī)械省部共建教育部重點實驗室學(xué)術(shù)成果培育項目(SBZDPY-11-19)。

韓偉強(qiáng)(1985—)，男，講師，博士，主要研究方向為內(nèi)燃機(jī)清潔燃燒技術(shù)。

TK44

：A

：1673-159X(2015)06-0006-06

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.002