基于CFD仿真的476Q汽油機進氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

姚瑞敏，張艷崗

（1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，山西太原030009；2.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西太原030051）

基于CFD仿真的476Q汽油機進氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

姚瑞敏1，張艷崗2

（1.山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，山西太原030009；2.中北大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，山西太原030051）

在獲取發(fā)動機進氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用Pro/E軟件構(gòu)建476Q進氣管三維模型，通過CFD軟件進行氣體流動過程仿真分析，改變進氣歧管的管長和管徑，分析進氣管內(nèi)壓力波動和氣流速度的變化趨勢，選取了最優(yōu)的進氣管結(jié)構(gòu)，為同類型汽油機進氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

汽油機進氣管CFD

普通發(fā)動機的進氣管部分的設(shè)計性能測定一般都會應(yīng)用穩(wěn)流實驗來進行，穩(wěn)流實驗和三維數(shù)值模擬研究能夠產(chǎn)生氣流流動過程的重要信息，從而能夠較為客觀地反映出幾何形狀對流動狀態(tài)的關(guān)聯(lián)和影響關(guān)系。但是，穩(wěn)態(tài)模擬還無法完全實時準(zhǔn)確地預(yù)測開始燃燒前一刻氣缸內(nèi)的流動狀態(tài)和湍流強度，無法獲得關(guān)于缸內(nèi)流場結(jié)構(gòu)的有效信息，設(shè)計則會更加依靠設(shè)計者的從業(yè)經(jīng)驗和感覺，這便是穩(wěn)態(tài)模擬的一個重大問題[1]?；跀?shù)值模擬的流體動力學(xué)方法則使得詳細(xì)研究氣道內(nèi)氣體流動更具可行性，通過CFD分析可以掌握氣道及缸內(nèi)的壓力場、流速場等參數(shù)的分布，更加高效地研究結(jié)構(gòu)參數(shù)及其相對位置對流動特性的關(guān)聯(lián)影響，進而可以為進氣系統(tǒng)設(shè)計與改進提供重要的參考數(shù)據(jù)和信息。

1 476Q汽油機進氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合476Q汽油機的結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表1），在分析該機型的氣體流動狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計了進氣總管長度和直徑，以及進氣歧管的具體結(jié)構(gòu)。進氣管示意圖見圖1，詳細(xì)尺寸見表2。

2 進氣管CFD仿真模擬及優(yōu)化分析

2.1 建立有限元模型

2.1.1 劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格應(yīng)該首先將計算區(qū)域劃分為兩個區(qū)域來應(yīng)對，一是對于進排氣門和氣缸頂部的區(qū)域的計算，應(yīng)隨著時間的變化而同步變化；二是對遠(yuǎn)離氣門的進排氣道和燃燒室部分的區(qū)域的計算。第一部分應(yīng)采用四面體網(wǎng)格，在進排氣門運動時應(yīng)采用分層網(wǎng)格運動的方式。第二部分應(yīng)采用六面體網(wǎng)格提高計算的精確度，這樣能夠保證網(wǎng)格在運動過程中的合理狀態(tài)，會有效避免網(wǎng)格形狀嚴(yán)重變形、網(wǎng)格質(zhì)量惡化的不良狀況。

表1 476Q汽油機的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 進氣管示意圖

表2 進氣管的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用ANSYS的前處理器ICEM進行網(wǎng)格劃分，劃分后的幾何模型網(wǎng)格圖如圖2所示。

圖2 設(shè)計的進氣管網(wǎng)格模型

2.1.2 邊界條件的確定

1）入口邊界條件。采用壓力入口，設(shè)置壓力為100 kPa。

2）出口邊界條件。采用壓力出口，設(shè)置壓力為97.5 kPa。

3）壁面邊界條件。對進排氣道壁面、缸蓋壁面以及燃燒室壁面設(shè)置為無滑移固壁條件，即固體表面上流體的紊流參數(shù)和速度為零；氣門和活塞頂部設(shè)置則設(shè)置為運動。壁面溫度采用絕熱邊界條件，溫度為288.0 K，壁面速度采用無滑移邊界條件，采用湍流壁面函數(shù)對邊界層進行處理。

2.2 進氣歧管管長、管徑的優(yōu)選分析

進氣歧管的管長和管徑是發(fā)動機進氣系統(tǒng)的重要參數(shù)，良好的設(shè)計可以提高發(fā)動機的充氣效率，強化發(fā)動機的動力性[2]。由于進氣過程是動態(tài)過程，在進氣歧管內(nèi)存在周期變化的壓力波，這種壓力波將會直接影響進氣的效果。對于不同的轉(zhuǎn)速而言，需要匹配相應(yīng)的管長和管徑，則可改善進氣的效果。所以進行了進氣歧管尺寸對壓力和速度的影響的研究，分為三個仿真方案，如表3所示。

表3 進氣歧管的管長和管徑

2.2.1 進氣歧管尺寸對壓力的影響

將方案一、方案二、方案三的進氣管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)用FLUENT軟件進行仿真分析，得到3種計算方案的靜壓云圖，如圖3、圖4、圖5。

圖3 方案一壓力圖

圖4 方案二壓力圖

圖5 方案三壓力圖

由圖3、圖4、圖5顯示，在進氣過的程中，氣流發(fā)生了旋轉(zhuǎn)、分離和回流等現(xiàn)象，尤其是壓力值較大的地方（顏色深）更容易發(fā)生這種狀況。隨著進氣歧管管長和管徑的減小，進氣管內(nèi)的平均壓力就會變得越來越大，越來越不利于提高發(fā)動機的充氣效率。由此可得，初步選擇方案一和方案二比較合適。

2.2.2 進氣歧管尺寸對氣流速度的影響

將方案一、方案二、方案三的進氣管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)用FLUENT軟件進行仿真分析，得出方案一氣流速度圖如下頁圖6所示、方案二氣流圖如下頁圖7所示，方案三氣流圖如下頁圖8所示。

分別比較圖6，圖7，圖8可知，方案三的總體進氣速度小于方案一和方案二，并且通過對進氣歧管氣流速度的分析，可以確定方案二效果的最低燃油消耗率比較接近技術(shù)要求，所以優(yōu)先選取方案二，即L2=286mm，d2=38mm。

圖6 方案一氣流速度圖

圖7 方案二氣流速度圖

3 結(jié)論

本文利用經(jīng)驗數(shù)據(jù)及同類機型的相關(guān)數(shù)據(jù)進行了476Q汽油機的進氣管初步設(shè)計,并通過CFD軟件對進氣管的氣體流動狀態(tài)進行了仿真分析，優(yōu)化了進氣管的結(jié)構(gòu)參數(shù)。得出以下結(jié)論：

圖8 方案三氣流速度圖

1）利用進氣管中的諧振效應(yīng)，匹配優(yōu)良的進氣總管、穩(wěn)壓腔、進氣歧管，可以提高發(fā)動機的進氣速度和湍動能，進氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸對充氣效率，有較大的影響，從而影響著發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性與排放性能[3-4]。

2）FLUEN計算結(jié)果表明，CFD可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測發(fā)動機進氣管流場，可以做為輔助設(shè)計發(fā)動機進氣管正向設(shè)計的有效手段。

[1]王健,劉德新.四氣門汽油機進氣道流動特性的穩(wěn)流試驗研究[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2004（12）：183-184

[2]李鑫，熊銳，吳堅，等.進氣歧管的管長和管徑對發(fā)動機性能影響的探討[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013（1）：97-98.

[3]竇昊，何云信，謝文尚，等.CFD輔助發(fā)動機進氣管的研究[J].裝備制造技術(shù)，2010（4）：17-18.

[4]蔣德明.內(nèi)燃機中的氣流流動[M].北京：機械工業(yè)出版社，1986.

（編輯：苗運平）

Design and Analysis of 476Q Gasoline Engine Intake Pipe Structure Based on CFD Simulation

YAO Ruim in1,ZHANG Yangang2

（1.Department of M echanical Engineering,Shanxi Engineering Vocational College，Taiyuan Shanxi030009；2.College of M echanical and Power Engineering,North University of China,Taiyuan Shanxi030051）

On the basis of the engine intake pipe structure parameters,Pro/E software is used to build three-dimensionalmodel for 476Q intake pipe.Through simulation analysis of CFD software for gas flow process,the length,diameter of intake pipe are changed and the change trend of pressure fluctuation in intake pipe and air velocity are analyzed.Optimal inlet pipe structure is selected，providing reference for structure design of same gasoline engine intake pipe.

gasoline engine,intake pipe,CFD

TE319+.1

A

1672-1152（2017）02-0025-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.02.10

2016-12-20

姚瑞敏（1982—），女，山西長治人，2010年畢業(yè)于中北大學(xué)，碩士學(xué)位，現(xiàn)為山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化。