基于Fluent的進(jìn)氣穩(wěn)壓箱仿真分析

田哲文,張楚云,蔡　思,吳幫輝,李　澤

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430070)

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基于Fluent的進(jìn)氣穩(wěn)壓箱仿真分析

田哲文1,2,張楚云1,2,蔡思1,2,吳幫輝1,2,李澤1,2

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，湖北 武漢 430070)

摘要：FSC中國大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則規(guī)定：為限制發(fā)動機(jī)功率，一個內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機(jī)之間。由于限流閥的存在，氣流經(jīng)過會使得流速增大，進(jìn)而產(chǎn)生氣流波動、壓力不穩(wěn)而影響進(jìn)氣效果，為緩解此影響，需設(shè)置穩(wěn)壓箱。利用CATIA進(jìn)行三維建模設(shè)計，利用Fluent進(jìn)行仿真分析，確定體積為3.5 L的曲面形穩(wěn)壓箱，最后通過UDF方法仿真實(shí)際工況循環(huán)，驗證了選型的合理性，達(dá)到了減少進(jìn)氣渦流、出口湍動能和提高充氣效率、質(zhì)量流量的目的，有利于提升發(fā)動機(jī)性能。

關(guān)鍵詞：Fluent；UDF；限流閥；穩(wěn)壓箱

FSC中國大學(xué)生方程式汽車規(guī)則明確說明:驅(qū)動賽車的發(fā)動機(jī)必須為四沖程、排量為610 mL以下的活塞式發(fā)動機(jī)；混合動力(如使用車載儲能設(shè)備驅(qū)動的電動機(jī))是不被允許的，且為限制發(fā)動機(jī)功率，一個內(nèi)部截面為圓形的限流閥必須安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動機(jī)之間，并且所有發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣氣流都應(yīng)流經(jīng)該限流閥，使用汽油燃料的其直徑為20.0 mm，使用E85燃料的其直徑為19.0 mm[1]。

進(jìn)氣系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)性能有著重要影響，試驗證明,一個設(shè)計良好的進(jìn)排氣系統(tǒng)能夠提高發(fā)動機(jī)的充氣效率,從而提高發(fā)動機(jī)性能[2]。由于比賽規(guī)則對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)限流的要求,勢必會對進(jìn)氣過程造成負(fù)面影響，必須通過設(shè)置穩(wěn)壓箱來緩解該影響。因此筆者通過Fluent對穩(wěn)壓箱進(jìn)行仿真分析,優(yōu)選出更合理的穩(wěn)壓箱以提高發(fā)動機(jī)性能。

1穩(wěn)壓箱設(shè)計

穩(wěn)壓箱的作用是形成一個相對穩(wěn)定的空間，緩解限流帶來的進(jìn)氣負(fù)面影響，使各缸進(jìn)氣達(dá)到均勻，提高發(fā)動機(jī)充氣效率。其中穩(wěn)壓箱的體積越大，進(jìn)氣的均勻度越高，但是體積過大將會導(dǎo)致加速性能遲滯[3]，影響賽車的操縱性和加速性。因此體積一般為2～4 L。

由于筆者主要對穩(wěn)壓箱進(jìn)行仿真分析，故先通過Fluent與GT-power仿真分析軟件確定了36°入口錐度和7°出口錐度的限流閥、320 mm的進(jìn)氣總管、40 mm的入口直徑和98 mm的進(jìn)氣歧管。固定這些參數(shù)，再通過CATIA進(jìn)行三維建模確定了體積為3 L的3種不同形式的穩(wěn)壓箱結(jié)構(gòu):半球形穩(wěn)壓箱、圓柱形穩(wěn)壓箱、曲面形穩(wěn)壓箱,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　3種不同形式穩(wěn)壓箱結(jié)構(gòu)

通過Fluent仿真分析確定穩(wěn)壓箱的形式后，根據(jù)穩(wěn)壓箱體積經(jīng)驗值2～4 L，建立體積分別為2.5 L、3.0 L、3.5 L的穩(wěn)壓箱，基于Fluent進(jìn)行仿真對比分析，最終選出最優(yōu)的穩(wěn)壓箱體積作為本次比賽賽車的穩(wěn)壓箱。

2流體動力學(xué)控制方程

流體流動遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，控制方程就是這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述[4-6]。

任何流動問題都必須滿足質(zhì)量守恒定律。該定律可以表述為：單位時間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律，可以得出質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：ρ為密度；u，v，w分別為速度矢量u在x，y，z方向的分量。

動量守恒定律也是任何流動系統(tǒng)都必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中流體的動量對時間的變化等于外界作用在該微元體上的各種力之和。該定律實(shí)際上是牛頓第二定律，按照這一定律，可以導(dǎo)出x，y和z這3個方向的動量守恒方程：

(2)

式中：p為流體微元體上的壓力；τxx，τxy，τxz分別為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z分別為微元體上的體力。

能量守恒定律是包含有熱交換的流體系統(tǒng)必須滿足的基本定律。該定律可表述為：微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈通量加上體力與面力對微元體所做的功。該定律實(shí)際是熱力學(xué)第一定律。以溫度T為變量的能量守恒方程為：

3不同結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1評價指標(biāo)

在穩(wěn)壓箱結(jié)構(gòu)選型中，保持穩(wěn)壓箱體積相同的情況下，根據(jù)入口質(zhì)量流量大小確定最終結(jié)構(gòu)形式。入口質(zhì)量流量的增大會使得更多的空氣燃油混合氣進(jìn)入氣缸，提高各個氣缸的充氣效率。同樣大小的氣缸容積，在相同的進(jìn)氣狀態(tài)下若能吸入更多的新鮮空氣，則可允許噴入更多的燃料，在同樣的燃燒條件下可以獲得更多的有用功[7]。

3.2邊界條件設(shè)置

分析模型選用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε湍流模型[8]，設(shè)置進(jìn)出口壓差約為3 000 Pa，即入口邊界條件為壓力入口，壓力大小為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，4個出口邊界為壓力出口，壓力大小約為97 500 Pa，外壁采用壁面邊界條件，壁面溫度采用絕熱邊界條件，壁面速度采用無滑移邊界條件，設(shè)置收斂誤差為10-5。由于SIMPLEC算法在求解過程對速度場的處理較好，可以起到加速迭代收斂的效果，因此采用該壓力速度耦合算法進(jìn)行求解。

3.3入口質(zhì)量流量仿真結(jié)果

通過迭代計算收斂后，經(jīng)Fluent后處理3種不同形式穩(wěn)壓箱入口質(zhì)量流量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　3種不同形式穩(wěn)壓箱入口質(zhì)量流量　g/s

由表1可以看到曲面形穩(wěn)壓箱的進(jìn)口質(zhì)量流量最大，因此選用曲面形穩(wěn)壓箱更有利于發(fā)動機(jī)性能的發(fā)揮。

4不同體積仿真分析

4.1評價指標(biāo)

在同樣形式不同體積的穩(wěn)壓箱仿真過程中，穩(wěn)壓箱內(nèi)速度流線渦流越少，出口湍動能就越低，使得氣流順暢，保證各缸有較大的進(jìn)氣質(zhì)量流量且進(jìn)氣均勻。進(jìn)氣均勻?qū)Πl(fā)動機(jī)性能有較大的影響，進(jìn)氣不均勻會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)各缸工作不穩(wěn)定，影響整車動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性。

4.2不同體積的曲面穩(wěn)壓箱

基于穩(wěn)壓箱體積的經(jīng)驗范圍在2～4 L，考慮駕駛響應(yīng)，選擇體積分別為2.5 L、3.0 L、3.5 L的曲面形穩(wěn)壓箱進(jìn)行發(fā)動機(jī)循環(huán)工況進(jìn)氣分析，由于該賽車發(fā)動機(jī)采用的是本田CBR600發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)工作循環(huán)為1-2-4-3,仿真時分別將Outlet1、Outlet2、Outlet3、Outlet4設(shè)為壓力出口，同時封閉相應(yīng)其他3個缸模擬進(jìn)氣過程，根據(jù)評價指標(biāo)優(yōu)選出曲面形穩(wěn)壓箱的體積大小。

4.3速度流線圖與湍動能仿真結(jié)果

研究第1缸進(jìn)氣情況，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形穩(wěn)壓箱第1缸速度流線圖如圖2所示，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形穩(wěn)壓箱第1缸湍動能云圖如圖3所示。從圖2可以看出，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形穩(wěn)壓箱通過限流閥的最大速度分別為160m/s、168 m/s、168 m/s，其中3.5 L體積穩(wěn)壓箱內(nèi)速度流線渦流較少。從圖3可知，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形穩(wěn)壓箱出口處最大湍動能分別是196.9 J/kg、156.1 J/kg、138.1 J/kg，其中3.5 L穩(wěn)壓箱出口湍動能最小，有利氣流穩(wěn)定流向出口。

圖2　2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形穩(wěn)壓箱第1缸速度流線圖

圖3　2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形穩(wěn)壓箱第1缸湍動能云圖

4.4均勻性仿真分析結(jié)果

在Fluent后處理中得到該3種不同體積穩(wěn)壓箱的出口質(zhì)量流量結(jié)果，如表2所示。

表2　穩(wěn)壓箱出口質(zhì)量流量　g/s

進(jìn)氣均勻性可以通過式(4)計算:

(4)

式中:MFmax為4個缸中最大的進(jìn)氣質(zhì)量流量；MFmin為4個缸最小的進(jìn)氣質(zhì)量流量；MFaver為平均進(jìn)氣質(zhì)量流量；E表示進(jìn)氣均勻性，其數(shù)值越小表明進(jìn)氣越均勻穩(wěn)定，即發(fā)動機(jī)工作也更加平穩(wěn)。3種不同體積的曲面形穩(wěn)壓箱進(jìn)氣均勻性計算結(jié)果如表3所示。

從表2可以看到3.0 L、3.5 L各缸進(jìn)氣質(zhì)量較優(yōu)，從表3可以看出，進(jìn)氣均勻性隨著體積的增大而提高，3.5 L曲面形穩(wěn)壓箱的進(jìn)氣均勻性為0.32%，能夠獲得更好的進(jìn)氣效果，有利于提高發(fā)動機(jī)的性能。綜合上述仿真分析結(jié)果，最終確定體積為3.5 L的曲面型穩(wěn)壓箱。

表3　穩(wěn)壓箱進(jìn)氣均勻性計算結(jié)果

5基于UDF的3.5 L曲面穩(wěn)壓箱仿真分析

在確定了3.5 L曲面穩(wěn)壓箱后，利用UDF(user defined function)用戶自定義函數(shù)[9]對進(jìn)氣過程進(jìn)行實(shí)際循環(huán)工況仿真分析，以驗證選型的合理性，并為發(fā)動機(jī)臺架試驗提供理論依據(jù)。針對該賽車發(fā)動機(jī)常用轉(zhuǎn)速8 000 r/min的實(shí)際進(jìn)氣循環(huán)，由于進(jìn)氣提前開啟角和進(jìn)氣關(guān)閉遲后角[10]的存在，該賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣提前開啟角和進(jìn)氣關(guān)閉遲后角分別是21°和44°，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為7 500 r/min的情況下，由于存在0.000 47 s的時間內(nèi)兩個缸氣門同時開啟的狀況，因此編寫程序通過UDF設(shè)置變壓力出口邊界條件進(jìn)行仿真分析。0.063 5 s和0.079 5 s速度流線圖如圖4所示。

圖4　0.063 5 s和0.079 5 s速度流線圖

在一個完整進(jìn)氣循環(huán)過程中，各個出口質(zhì)量流量如表4所示，進(jìn)氣均勻性如表5所示。

表4　8 000 r/min轉(zhuǎn)速下各出口質(zhì)量流量　g/s

表5　穩(wěn)壓箱進(jìn)氣均勻性計算結(jié)果

8 000 r/min實(shí)際進(jìn)氣循環(huán)工況仿真結(jié)果表明，3.5 L曲面穩(wěn)壓箱可以取得較好的出口質(zhì)量流量和進(jìn)氣均勻性，驗證了該選型的合理性。

6結(jié)論

通過Fluent仿真對比分析，確定了穩(wěn)壓箱的形式和體積，即體積為3.5 L的曲面形穩(wěn)壓箱，在仿真中得到每缸平均63.3 g/s的質(zhì)量流量和0.32%的進(jìn)氣均勻性，利用UDF仿真8 000 r/min的實(shí)際進(jìn)氣循環(huán)，驗證了選型的合理性。所選擇的穩(wěn)壓箱降低了進(jìn)氣渦流和湍動能，提高了充氣效率，最大限度地緩解了限流閥帶來的影響，有利于提高發(fā)動機(jī)的性能。同時，利用Fluent仿真分析，為設(shè)計提供了有利的數(shù)據(jù)，避免了盲目設(shè)計，節(jié)約了時間和成本，減少了發(fā)動機(jī)臺架試驗次數(shù)。

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TIAN Zhewen:Assoc.Prof.;School of Automotive Engineering,WUT,Wuhan 430070,China.

[編輯：王志全]

文章編號：2095-3852(2016)01-0119-04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

收稿日期：2015-07-16.

作者簡介：田哲文(1972-)，男，湖北仙桃人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授.

中圖分類號：TK412

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.026

Simulation Analysis of Intake Stabilizing Chamber Based on Fluent

TIAN Zhewen， ZHANG Chuyun， CAI Si， WU Banghui， LI Ze

Abstract：The rules of FSC formula student China competition,to limit engine power,an internal cross section for the circular flow-limiting valve must be installed between the throttle and the engine air intake system.Due to the existence of the flow-limiting valve,the air through its will increases velocity,to alleviate the fluctuation of airflow and pressure is not stable that will effect of intake.So that set up a stabilizing chamber to guarantee the stability of pressure.The 3D model design by using CATIA software,the use of Fluent software for simulation analysis,to determinate volume of 3.5L surface stabilizing chamber,finally simulating the actual working condition by UDF method to verify the rationality of the model selection.Success decrease the intake vortex,turbulence kinetic energy and improve the charging efficiency,mass flow,finally benefit engine performance.

Key words：fluent；UDF；flow-limiting valve；stabilizing chamber