CFD分析在某發(fā)動機進氣歧管設(shè)計中的應(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)

CFD分析在某發(fā)動機進氣歧管設(shè)計中的應(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)動機的進氣歧管為分析對象，模擬得出各進氣支管的質(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跡線分布圖，根據(jù)這些結(jié)果可評價進氣歧管性能的好壞。在發(fā)動機進氣歧管開發(fā)過程中，利用CFD分析可大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低試驗和人工成本。

關(guān)鍵詞：CFD分析；進氣歧管

0　引言

發(fā)動機進氣系統(tǒng)的作用是盡可能多和均勻地向各個氣缸供應(yīng)新鮮的空氣。進氣歧管是發(fā)動機進氣系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將新鮮的空氣分配到各個氣缸對應(yīng)的缸蓋進氣道。進氣歧管性能的好壞直接影響發(fā)動機進氣量的大小，進而影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。在發(fā)動機的設(shè)計開發(fā)過程中，必須對進氣歧管的進氣均勻性進行分析，確保其滿足一定的評價標準。

文中分析的對象是某發(fā)動機的進氣歧管，模擬得出各進氣支管的質(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跡線分布圖，從這些結(jié)果中評價進氣歧管性能的好壞。CFD分析在發(fā)動機進氣歧管設(shè)計中發(fā)揮了越來越大的作用。

1　模型建立

1.1數(shù)模

圖1為文中分析的進氣歧管結(jié)構(gòu)。

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

1.2網(wǎng)格劃分

對進氣歧管模型進行體網(wǎng)格劃分，見圖2。體網(wǎng)格總數(shù)約為25萬，其中大部分為六面體網(wǎng)格。為了給進出口位置指定邊界條件，在進氣歧管進出口處分別設(shè)置selection。進氣歧管入口為BC_inlet，各進氣支管對應(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出口邊界面出現(xiàn)回流情況，在進出口面處各拉伸30層左右的網(wǎng)格。

1.3求解器參數(shù)

由于在進氣歧管中流動的介質(zhì)為新鮮空氣，計算中假設(shè)流動是不可壓縮的。采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時間項，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計算工況及邊界條件

文中計算的工況為1個進氣歧管支管打開，其他3個進氣歧管支管關(guān)閉。總共計算了4個工況，見表1。

文中計算的邊界條件：入口指定總壓邊界，出口指定靜壓邊界。

2　計算結(jié)果分析

2.1評價標準

(1)4個進氣支管的質(zhì)量流量是否均勻通常是評價進氣均勻性的常用方法。一般要求4個進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為計算質(zhì)量流量(kg/h)；α為流量系數(shù)(-)。

一般要求進氣歧管流量系數(shù)最大最小偏差在±2.5%內(nèi)。

2.2計算結(jié)果

(1)質(zhì)量流量、流量系數(shù)及它們的偏差

表2為進氣歧管各支管各項參數(shù)的計算結(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。

進氣支管一至支管四對應(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)在進氣支管3，其值為1.51%。質(zhì)量流量最大負偏差出現(xiàn)在進氣支管1，其值為-1.1%。該進氣歧管質(zhì)量流量最大最小偏差值為2.61%，在評價標準范圍內(nèi)。

進氣支管一至支管四對應(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)量流量趨勢一致，流量系數(shù)最大正偏差出現(xiàn)在進氣支管三，其值為1.51%。流量系數(shù)最大負偏差出現(xiàn)在進氣支管一，其值為-1.1%。該進氣歧管流量系數(shù)最大正偏差和負偏差均在評價標準范圍內(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偏差對應(yīng)的進氣支管一和三。圖3為對應(yīng)的進氣歧管壓力分布圖。可以看出：壓力從入口到出口逐步降低，沒有壓力發(fā)生突變的部位。

圖4為進氣支管一和三的速度跡線圖?？梢钥吹綒怏w從進氣歧管入口進入后，在穩(wěn)壓腔內(nèi)部和支管的流動情況。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

通過對某發(fā)動機進氣歧管進行CFD分析，得到以下結(jié)論：

(1)該發(fā)動機進氣歧管質(zhì)量流量偏差和流量系數(shù)偏差均在各自評價標準范圍內(nèi)，滿足進氣歧管進氣均勻性要求；

(2)在發(fā)動機進氣歧管設(shè)計開發(fā)過程中，CFD分析可以大大減少產(chǎn)品開發(fā)周期、降低試驗和人工成本。

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

作者簡介：劉俊(1985—)，男，學(xué)士，助理工程師，研究方向為內(nèi)燃機設(shè)計。E-mail：563420286@qq.com。

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