進氣歧管氣道流場CFD分析及優(yōu)化

黃英銘，黃初華，劉卓(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

進氣歧管氣道流場CFD分析及優(yōu)化

黃英銘，黃初華，劉卓
(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

進氣歧管的氣道結(jié)構(gòu)直接影響發(fā)動機各缸進氣量和進氣均勻性，因此合理的氣道結(jié)構(gòu)是保證發(fā)動機性能得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)。通過三維CFD仿真計算展現(xiàn)進氣歧管氣道內(nèi)部微觀流場分布，以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)降低進氣壓損、增加進氣量和保證各缸進氣均勻性的目的。

進氣歧管；氣道結(jié)構(gòu)；流場；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

進氣歧管作為發(fā)動機的主要性能零件之一，其主要作用是為發(fā)動機運行提供均勻、穩(wěn)定的進氣量，保證各缸進氣的均勻性。發(fā)動機各缸的最大進氣量是保證發(fā)動機最大功率得以實現(xiàn)的前提，均勻性差，會產(chǎn)生扭矩輸出不穩(wěn)定、發(fā)動機振動大、排放增加等問題[1]。合理地設(shè)計進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)，不僅可以降低進氣壓損，增加進氣量，還可以保證各缸進氣的均勻性。因此，進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、可靠性和排放特性的一項關(guān)鍵技術(shù)[2]。

通過三維CFD仿真軟件STAR CCM+，從微觀上展現(xiàn)進氣歧管內(nèi)部流場分布，并以此為基礎(chǔ)指導(dǎo)進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)降低進氣壓損、增加進氣量和提高進氣均勻性的目的[3]。與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比，CAD和CFD相結(jié)合的設(shè)計方法，能有效減少前期樣件試制和試驗，縮短設(shè)計開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，更為重要的是提高設(shè)計精度[4]。

1 進氣歧管三維CFD仿真分析概述

進氣歧管氣道CFD仿真計算，可以通過數(shù)值模擬，展現(xiàn)歧管氣道內(nèi)部的微觀流場分布，避免局部流速過高、氣流分離以及限制渦流等不良流動現(xiàn)象，同時評估進氣歧管進氣阻力和各缸進氣的均勻性，為氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供三維流場分布和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

在進氣歧管氣道三維CFD仿真的過程中，常規(guī)的計算方法是只計算進氣歧管的氣道結(jié)構(gòu)對進氣流場分布的影響。事實上進氣歧管前、后的氣道也都會對進氣歧管流場分布產(chǎn)生一定的影響(如圖1所示)，因此，在進行進氣歧管CFD仿真計算的過程中，為增加真實性，建議同時考慮節(jié)氣門及缸蓋氣道對進氣歧管流動性能的影響。

文中進行進氣歧管氣道穩(wěn)態(tài)流動仿真計算，每缸氣道單獨計算，評估流場分布、進氣壓損、質(zhì)量流量及各缸進氣均勻性等，以此評價進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)并為氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

2 某進氣歧管穩(wěn)態(tài)流場CFD仿真計算流程

進氣歧管穩(wěn)態(tài)CFD模擬分析流程圖[4]如圖2所示。

2.1 氣道CAD數(shù)據(jù)

進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)三維構(gòu)建，并聯(lián)合節(jié)氣門和缸蓋氣道一同導(dǎo)出STL格式文件。為減少網(wǎng)格數(shù)量和計算時間，在每缸氣道計算的過程中，可將其他氣道切除，如圖3所示。

2.2 生成網(wǎng)格

采用STAR-CCM+軟件生成Polyhedral Mesh網(wǎng)格，如圖4所示，網(wǎng)格數(shù)25萬。

2.3 模型選擇

此次計算采用三維穩(wěn)態(tài)，湍流模型采用RANS模型中的realizable K-Epsilon Two-Layer模型，激活能量方程，設(shè)置流體(工質(zhì))屬性。

2.4 初始條件設(shè)置

以出口壓力和溫度作為環(huán)境壓力初始值。

2.5 邊界條件設(shè)置

進氣歧管穩(wěn)態(tài)仿真計算邊界條件設(shè)置有以下兩種方法：

(1) 入口定質(zhì)量流量，計算各缸進出口壓差。

入口邊界：選擇質(zhì)量流量入口，并設(shè)置流量、溫度。

出口邊界：選擇壓力出口，并設(shè)置壓力和溫度。

壁面邊界：采用無滑移壁面邊界，絕熱狀態(tài)。

優(yōu)點：能更敏感地展示氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對進氣壓損和壓損均勻性的影響。

(2) 定進出口壓差，計算各缸質(zhì)量流量。

入口邊界：選擇壓力入口，并設(shè)置壓力、溫度。

出口邊界、壁面邊界與方法一一致。

優(yōu)點：更接近實際動行工況，展現(xiàn)實際各缸進氣量和進氣均勻性。

綜上，在進氣歧管氣道開發(fā)的過程中，作者建議先采用方法一進行氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，得到較優(yōu)的壓損和壓損均勻性后，再由方法二進行最終的評價。

2.6 求解松弛因子設(shè)定

關(guān)于松弛因子的設(shè)定，可按表1進行設(shè)置，其他采用默認(rèn)值即可。

表1 松弛因子值

2.7 迭代次數(shù)及殘差

采用second upwind差分格式和SIMPLE算法。最大迭代步可根據(jù)收斂情況而定，此例定為2 000步。收斂準(zhǔn)則結(jié)合自定義出口流量或壓力檢測值等來判斷。

2.8 輸出結(jié)果設(shè)置

設(shè)置檢測面(如圖3)，以監(jiān)測氣道不同部分的壓力損失；設(shè)置壓力、流線顯示等，以展現(xiàn)進氣歧管微觀流場分布。

2.9 評價計算結(jié)果

評價氣道內(nèi)部流場分布、壓力損失或質(zhì)量流量以及流動均勻性等。若不滿足要求，重新返回步驟(1)進行氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化；若滿足要求，則可進行后續(xù)工作。

3 仿真結(jié)果及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以第一方法邊界條件進行計算，原進氣歧管氣道仿真結(jié)果如圖5—7所示：進氣歧管氣道內(nèi)氣流流線和速度分布較為合理，各缸氣道無分離和渦流現(xiàn)象，但進氣總管至穩(wěn)壓腔的過渡較大，穩(wěn)壓腔內(nèi)有較大的渦流生成，各缸壓損均勻性較差。

根據(jù)仿真結(jié)果，對進氣歧管氣道進行優(yōu)化，主要是：加大進氣總管與穩(wěn)壓腔的過渡倒角，采用變截面穩(wěn)壓腔結(jié)構(gòu)，切除部分穩(wěn)壓腔，以及各缸氣道與穩(wěn)壓腔接口處采用不等倒圓角結(jié)構(gòu),如圖8所示。

如圖9所示，對比優(yōu)化前后流線分布，優(yōu)化后的進氣總管與穩(wěn)壓腔的過渡有改善，穩(wěn)壓腔內(nèi)的流動改善尤其明顯，穩(wěn)壓腔內(nèi)的渦流被有效地限制。

如圖10、圖11所示，優(yōu)化后的進氣壓損和各缸流動的均勻性都有明顯的提高。其中進氣壓損平均下降5%，進氣壓損均勻性由±12%大幅度下降為±5%。

以優(yōu)化后的氣道，進行第二方法邊界邊條件輸入計算。各缸氣道質(zhì)量流量仿真結(jié)果如圖12所示，均勻性±1%以內(nèi)，滿足均勻性要求[5]。

結(jié)合流場分布和壓損值，可以判斷該進氣歧管氣道滿足發(fā)動機各缸進氣量和進氣均勻性的要求，該進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)滿足性能要求，可凍結(jié)氣道結(jié)構(gòu)。

4 試驗驗證

以凍結(jié)后的進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，推進進氣歧管初步工藝設(shè)計，并開展快速樣件試制，以搭載發(fā)動機進行熱力學(xué)開發(fā)試驗。如圖13所示，進氣歧管樣件搭載在發(fā)動機上進行試驗驗證。

試驗結(jié)果表明:文中開發(fā)的進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)滿足某發(fā)動機最大功率、扭矩及各缸進氣均勻性的要求，該進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計目標(biāo)，可進行后續(xù)的模具數(shù)據(jù)設(shè)計及試制。

5 總結(jié)

在進行某發(fā)動機進氣歧管氣道結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，作者有效地運用CFD仿真軟件展現(xiàn)進氣歧管內(nèi)部微觀流場分布，并以此為基礎(chǔ)進行氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果顯示：優(yōu)化后的進氣歧管能有效地引導(dǎo)進氣流場分布、減小進氣過渡時突變、限制渦流的產(chǎn)生，達到降低進氣壓損和提高進氣均勻性的目的。通過樣件試制及臺架試驗驗證，表明該進氣歧管達到發(fā)動機各缸所需的進氣量和進氣均勻性的要求，保證發(fā)動機性能目標(biāo)得以實現(xiàn)。

【1】 王晗,蔡憶昔,毛笑平.發(fā)動機進氣系統(tǒng)不均勻性的三維數(shù)值模擬[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2007,36(3):41-44.

【2】 許元默,帥石金,王建昕.電噴汽油機進氣歧管CAD/CFD設(shè)計[J].汽車工程,2002,24(4):314-317.

【3】 帥石金,王志,王建昕.發(fā)動機CAD/CFD虛擬設(shè)計技術(shù)[J].汽車工程,2006,26(5):581-584.

【4】 黃鍵,李世仲,黃劍峰.發(fā)動機進氣歧管的發(fā)展及CFD技術(shù)的應(yīng)用[J].海峽科學(xué),2010(12):128-130.

【5】 崔怡,高瑩,李君,等.進氣歧管結(jié)構(gòu)對進氣均勻性影響的仿真研究[J].小型內(nèi)燃機與摩托車,2009,38(2):37-40.

Flow Field Investigation and Optimization of Intake Manifold Runner by CFD Method

HUANG Yingming,HUANG Chuhua,LIU Zhuo
(GAC Automotive Engineering Research Institute，Guangzhou Guangdong 511434，China)

The runner structure of intake manifold has significant influence on intake mass flow and intake uniformity.Reasonable design of runner structure is very important to make sure that the target of engine performance can realize.The flow field inside the runner of intake manifold was calculated and shown by CFD approach.The optimization of the runner was then carried out to reduce the pressure loss，increase the intake mass flow and ensure better intake uniformity.

Intake manifold；Runner structure；Flow field；Structure optimization

2013-11-25

黃英銘(1985—)，工學(xué)碩士，工程師，研究方向為發(fā)動機零部件設(shè)計。E-mail:huangyingming@gaei.cn。