基于ANSYS的FSAE賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)仿真分析

朱布博，孫少杰

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018）

前言

中國大學(xué)生方程式賽車大賽要求參賽學(xué)生依照大賽規(guī)則設(shè)計并制造一輛方程式賽車，比賽規(guī)則對發(fā)動機(jī)的排量和進(jìn)氣系統(tǒng)做出了規(guī)定和限制，本文簡要介紹發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計情況，利用ANSYS中的FLUENT模塊對其進(jìn)行穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)模擬，優(yōu)化參數(shù)和結(jié)構(gòu)，以增大與平衡發(fā)動機(jī)各缸進(jìn)氣量。

1 限流閥仿真分析

大賽設(shè)置限流閥的主要目的在于限制發(fā)動機(jī)功率，因此，應(yīng)盡量降低限流閥對氣流的阻礙，增大進(jìn)氣量，提高發(fā)動機(jī)功率。本文建立不同入口、出口尺寸限流閥的三維模型，用ANSYS進(jìn)行流體仿真并對比分析，觀察其流量、壓強(qiáng)等參數(shù)[1]。限流閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 限流閥結(jié)構(gòu)

1.1 有限元模型

限流閥入口控制尺寸為直徑與錐角，在這一過程的損失主要來自摩擦阻力，為了減小摩擦，應(yīng)該盡量選取較小的錐角。并設(shè)定限流閥入口處的錐角為φ，入口直徑為D。

出口控制尺寸為長度和出口錐角，由于長度和出口直徑是成正比關(guān)系的，故仿真時使用出口直徑計算。這一過程氣流流速逐漸減小，壓力回升，回升率的大小決定性能好壞，并且對進(jìn)氣量的影響程度大于入口尺寸。定義錐面之間的夾角為θ，出口直徑為d。

1.2 有限元分析

（1）湍流方程與邊界條件

FLUENT中用的較多的湍流模型有雷諾茲壓力模型、Spalart-Allmaras模型，大型艾迪仿真模型、標(biāo)準(zhǔn)RNG模型、標(biāo)準(zhǔn)Realizable k-ε模型等。本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[2]。

計算區(qū)域的邊界包括進(jìn)出口邊界和固體壁面兩種：

①進(jìn)出口邊界。進(jìn)口邊界條件和出口邊界條件為別設(shè)為1atm和0.98atm；湍流強(qiáng)度為5%，湍流粘度比為0.5。②固壁邊界。固壁邊界為壁面，速度選取無滑移[3]。（2）限流閥形狀分析

不同形狀限流閥出口處空氣流量如表1與表2所示。

表1 不同入口形狀限流閥出口流量分析結(jié)果

表2 不同出口形狀限流閥出口流量分析結(jié)果

從表1可以看出，入口錐角角度、入口直徑越小流量越大，但總體變化不明顯；從表2得出，當(dāng)出口直徑固定不變時，如果取較大的出口錐角，則出口長度會隨之減小，導(dǎo)致氣體流量減??；當(dāng)出口錐角固定不變時，如果取較大的出口直徑，出口長度也會隨之增大，從而導(dǎo)致氣體流量增大，將兩個表格進(jìn)行對照可以發(fā)現(xiàn)，限流閥出口形狀對流量的影響比入口程度大。

2 集氣室仿真優(yōu)化

FSAE大賽發(fā)展至今，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系的設(shè)計樣式已經(jīng)存在很多種，其主要區(qū)別表現(xiàn)在集氣室上。多缸發(fā)動機(jī)中各缸進(jìn)氣的不均勻性，會導(dǎo)致各缸空燃比的不同，從而使各缸燃燒過程產(chǎn)生差異[4]。本文對兩種不同形狀集氣室的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，對比其進(jìn)氣不均勻性和氣流流動情況。

2.1 進(jìn)氣系統(tǒng)模型

利用CATIA進(jìn)行建模，得到了如圖2所示的兩種進(jìn)氣系統(tǒng)的三維模型，兩種進(jìn)氣系統(tǒng)集氣室形狀不同，二者各有優(yōu)點(diǎn)，左側(cè)的進(jìn)氣系統(tǒng)采用圓筒形的集氣室，這種進(jìn)氣系統(tǒng)形狀簡單，制造難度小；而右側(cè)進(jìn)氣系統(tǒng)的集氣室形狀為曲面的，這種進(jìn)氣系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是流線型好，氣體流動阻力小。建立模型時，兩種進(jìn)氣系統(tǒng)的集氣室體積均為1L。

圖2 兩種形狀的進(jìn)氣系統(tǒng)

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)有限元對比分析

（1）湍流方程與邊界條件

瞬態(tài)模擬中，除出口邊界為 UDF編寫的周期壓力函數(shù)外，其余與限流閥相同。本文模擬計算發(fā)動機(jī)在8000轉(zhuǎn)時進(jìn)氣系統(tǒng)中的氣流狀態(tài)[5]。

（2）進(jìn)氣系統(tǒng)集氣室形狀選取

圖3 圓筒型進(jìn)氣某時刻流線圖

圖4 曲面型進(jìn)氣某時刻流線圖

通過對兩種不同類型的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行分析得到如圖3和圖4所示的進(jìn)氣狀態(tài)模擬圖，通過對比發(fā)現(xiàn)，圖4中的氣體流動更加平穩(wěn)順暢，氣體流動效果好，故曲面型進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣效果更好。

另外，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣不均勻性越小，進(jìn)氣效果越好，該性能可以用最大不均勻度E來評價[6]：

式中：Qmax——歧管出口質(zhì)量流量最大值；

Qmin——歧管出口質(zhì)量流量最小值；

Qme——歧管出口質(zhì)量流量平均值。

某一周期各歧管的最大質(zhì)量流量如表3與4所示，由表中的數(shù)據(jù)可以計算出曲面型和圓筒型的進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣不均勻度分別是12.14%和24.2%，由此可知曲面型進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣狀態(tài)更加均勻，進(jìn)氣效果好，且各出口的質(zhì)量流量更大。

表3 曲面型進(jìn)氣系統(tǒng)出口端面流量

表4 圓筒型進(jìn)氣系統(tǒng)出口端面流量

2.3 曲面型進(jìn)氣系統(tǒng)有限元優(yōu)化分析

（1）歧管倒角對進(jìn)氣不均勻性的影響

將曲面型進(jìn)氣的集氣室與歧管連接處做圓角處理，可得到進(jìn)氣不均勻度E降低為11.29%。

（2）體積對進(jìn)氣均勻性的影響

建立兩種體積為1.4L與1.7L的曲面型進(jìn)氣系統(tǒng)模型，以分析集氣室體積對進(jìn)氣均勻性的影響，通過 FLUENT仿真，得到兩種模型各出口的最大質(zhì)量流量如表5與表6。

表5 體積為1.4L出口端面質(zhì)量流量

表6 體積為1.7L出口端面質(zhì)量流量

由上述數(shù)據(jù)可知，1.4L的進(jìn)氣不均勻度為9.52%，1.7L為6.40%，因此隨著集氣室體積增大，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣更加均勻，進(jìn)氣量也稍有增加，能夠提高燃燒的質(zhì)量和發(fā)動機(jī)功率。

3 結(jié)論

根據(jù)對進(jìn)氣系統(tǒng)限流閥與集氣室的分析結(jié)果，同時考慮布置空間和比賽規(guī)則，我們可以確定進(jìn)氣系統(tǒng)的尺寸與形狀，具體如下：

（1）限流閥入口和出口錐角分別取32°和12°，入口和出口直徑分別取40mm和70mm；

（2）采用1.7L的曲面型集氣室進(jìn)氣系統(tǒng)，并對歧管和集氣室連接處做圓角處理。

參考文獻(xiàn)

[1] 李志豐.FSAE賽車發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計及流場特性分析[D].長沙:湖南大學(xué),2008.

[2] 蔣炎坤.CFD 輔助發(fā)動機(jī)工程的理論與應(yīng)用[M],北京:科學(xué)出版社,2004.

[3] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[4] 周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[5] 周穎.發(fā)動機(jī)瞬態(tài)進(jìn)氣流動特性三維數(shù)值模擬研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2007,36(5).

[6] 王晗.發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)不均勻性的三維數(shù)值模擬[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2007,36(3).