姚瑞敏，張艷崗

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

基于CFD仿真的476Q汽油機(jī)進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械工程系，山西太原030009；2.中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030051）

在獲取發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jìn)氣管三維模型，通過(guò)CFD軟件進(jìn)行氣體流動(dòng)過(guò)程仿真分析，改變進(jìn)氣歧管的管長(zhǎng)和管徑，分析進(jìn)氣管內(nèi)壓力波動(dòng)和氣流速度的變化趨勢(shì)，選取了最優(yōu)的進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)，為同類型汽油機(jī)進(jìn)氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

汽油機(jī)進(jìn)氣管CFD

普通發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管部分的設(shè)計(jì)性能測(cè)定一般都會(huì)應(yīng)用穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，穩(wěn)流實(shí)驗(yàn)和三維數(shù)值模擬研究能夠產(chǎn)生氣流流動(dòng)過(guò)程的重要信息，從而能夠較為客觀地反映出幾何形狀對(duì)流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)聯(lián)和影響關(guān)系。但是，穩(wěn)態(tài)模擬還無(wú)法完全實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)開(kāi)始燃燒前一刻氣缸內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)和湍流強(qiáng)度，無(wú)法獲得關(guān)于缸內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的有效信息，設(shè)計(jì)則會(huì)更加依靠設(shè)計(jì)者的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)和感覺(jué)，這便是穩(wěn)態(tài)模擬的一個(gè)重大問(wèn)題[1]?；跀?shù)值模擬的流體動(dòng)力學(xué)方法則使得詳細(xì)研究氣道內(nèi)氣體流動(dòng)更具可行性，通過(guò)CFD分析可以掌握氣道及缸內(nèi)的壓力場(chǎng)、流速場(chǎng)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(duì)位置對(duì)流動(dòng)特性的關(guān)聯(lián)影響，進(jìn)而可以為進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供重要的參考數(shù)據(jù)和信息。

1 476Q汽油機(jī)進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合476Q汽油機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（見(jiàn)表1），在分析該機(jī)型的氣體流動(dòng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了進(jìn)氣總管長(zhǎng)度和直徑，以及進(jìn)氣歧管的具體結(jié)構(gòu)。進(jìn)氣管示意圖見(jiàn)圖1，詳細(xì)尺寸見(jiàn)表2。

2 進(jìn)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(jì)算區(qū)域劃分為兩個(gè)區(qū)域來(lái)應(yīng)對(duì)，一是對(duì)于進(jìn)排氣門和氣缸頂部的區(qū)域的計(jì)算，應(yīng)隨著時(shí)間的變化而同步變化；二是對(duì)遠(yuǎn)離氣門的進(jìn)排氣道和燃燒室部分的區(qū)域的計(jì)算。第一部分應(yīng)采用四面體網(wǎng)格，在進(jìn)排氣門運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)采用分層網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的方式。第二部分應(yīng)采用六面體網(wǎng)格提高計(jì)算的精確度，這樣能夠保證網(wǎng)格在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的合理狀態(tài)，會(huì)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(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 進(jìn)氣管示意圖

表2 進(jìn)氣管的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用ANSYS的前處理器ICEM進(jìn)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(jì)的進(jìn)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(duì)進(jìn)排氣道壁面、缸蓋壁面以及燃燒室壁面設(shè)置為無(wú)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(yùn)動(dòng)。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(wú)滑移邊界條件，采用湍流壁面函數(shù)對(duì)邊界層進(jìn)行處理。

2.2 進(jìn)氣歧管管長(zhǎng)、管徑的優(yōu)選分析

進(jìn)氣歧管的管長(zhǎng)和管徑是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的重要參數(shù)，良好的設(shè)計(jì)可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率，強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性[2]。由于進(jìn)氣過(guò)程是動(dòng)態(tài)過(guò)程，在進(jìn)氣歧管內(nèi)存在周期變化的壓力波，這種壓力波將會(huì)直接影響進(jìn)氣的效果。對(duì)于不同的轉(zhuǎn)速而言，需要匹配相應(yīng)的管長(zhǎng)和管徑，則可改善進(jìn)氣的效果。所以進(jìn)行了進(jìn)氣歧管尺寸對(duì)壓力和速度的影響的研究，分為三個(gè)仿真方案，如表3所示。

表3 進(jìn)氣歧管的管長(zhǎng)和管徑

2.2.1 進(jìn)氣歧管尺寸對(duì)壓力的影響

將方案一、方案二、方案三的進(jìn)氣管網(wǎng)格結(jié)構(gòu)用FLUENT軟件進(jìn)行仿真分析，得到3種計(jì)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(jìn)氣過(guò)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(jìn)氣歧管管長(zhǎng)和管徑的減小，進(jìn)氣管內(nèi)的平均壓力就會(huì)變得越來(lái)越大，越來(lái)越不利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣歧管尺寸對(duì)氣流速度的影響

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

分別比較圖6，圖7，圖8可知，方案三的總體進(jìn)氣速度小于方案一和方案二，并且通過(guò)對(duì)進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)及同類機(jī)型的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了476Q汽油機(jī)的進(jìn)氣管初步設(shè)計(jì),并通過(guò)CFD軟件對(duì)進(jìn)氣管的氣體流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析，優(yōu)化了進(jìn)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(jìn)氣管中的諧振效應(yīng)，匹配優(yōu)良的進(jìn)氣總管、穩(wěn)壓腔、進(jìn)氣歧管，可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣速度和湍動(dòng)能，進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)充氣效率，有較大的影響，從而影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性與排放性能[3-4]。

2）FLUEN計(jì)算結(jié)果表明，CFD可以較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管流場(chǎng)，可以做為輔助設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管正向設(shè)計(jì)的有效手段。

[1]王健,劉德新.四氣門汽油機(jī)進(jìn)氣道流動(dòng)特性的穩(wěn)流試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004（12）：183-184

[2]李鑫，熊銳，吳堅(jiān)，等.進(jìn)氣歧管的管長(zhǎng)和管徑對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的探討[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（1）：97-98.

[3]竇昊，何云信，謝文尚，等.CFD輔助發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(jī)中的氣流流動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

（編輯：苗運(yùn)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(zhǎng)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?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。