龍彪，陳良，黃英銘，朱晨虹，占文鋒，邵發(fā)科

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

進(jìn)氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，具有將新鮮空氣分配到各個(gè)缸蓋進(jìn)氣道的重要作用，其布置形式和流通結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣阻力、進(jìn)氣均勻性和缸內(nèi)混合氣運(yùn)動(dòng)有著很大的影響，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性[1-3]。隨著大眾對(duì)車(chē)輛舒適性的要求越來(lái)越高，整車(chē)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的NVH(Noise Vibration Harshness)性能要求也越來(lái)越嚴(yán)格。設(shè)計(jì)合理的進(jìn)氣歧管不僅具有較低的流動(dòng)噪聲，還可以使發(fā)動(dòng)機(jī)各缸輸出更加均勻，改善發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整車(chē)的NVH性能，因此，進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)已成為保證發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放特性和NVH性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

進(jìn)氣歧管的布置形式通常受發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)布置限制，因此，要使進(jìn)氣歧管獲得良好的流通性能和進(jìn)氣均勻性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得十分關(guān)鍵。目前常采用CAD/CFD相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，先利用CAD(Computer Aided Design)軟件建立進(jìn)氣歧管三維模型，再通過(guò)CFD(Computational Fluid Dynamics)軟件分析模型內(nèi)部流動(dòng)，進(jìn)而對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以獲得進(jìn)氣阻力低、流通性能好且進(jìn)氣均勻性好的進(jìn)氣歧管。該方法效率高，可有效縮短進(jìn)氣歧管產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用[4-5]。

1 模型建立

1.1 實(shí)體模型

對(duì)于進(jìn)氣歧管三維CFD分析，大量學(xué)者都只針對(duì)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行流動(dòng)分析，很少考慮進(jìn)氣歧管前節(jié)氣門(mén)對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)部流動(dòng)的影響和進(jìn)氣歧管與缸蓋氣道相配合的效果。因此，文中將結(jié)合節(jié)氣門(mén)與缸蓋氣道對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化。圖1為某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管、節(jié)氣門(mén)和缸蓋氣道內(nèi)腔三維數(shù)模，為了避免在模型的進(jìn)出口邊界出現(xiàn)回流情況，在進(jìn)出口處進(jìn)行延伸。p1、p2、p3、p4分別表示節(jié)氣門(mén)前、進(jìn)氣歧管入口、缸蓋氣道入口和缸蓋氣道出口截面總壓。計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)分析某一缸進(jìn)氣流動(dòng)時(shí)，其他3個(gè)缸蓋氣道可省略，以減少計(jì)算內(nèi)存、縮短計(jì)算時(shí)間。

圖1 三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

在CAD軟件中將節(jié)氣門(mén)體、進(jìn)氣歧管、缸蓋氣道進(jìn)行裝配，而后提取內(nèi)腔，利用CFD分析軟件提供的前處理工具對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成以六面體為主的混合網(wǎng)格。考慮到近壁面邊界層影響，對(duì)近壁面網(wǎng)格進(jìn)行加密，邊界層采用3層網(wǎng)格。單個(gè)氣道模型的網(wǎng)格數(shù)約為53萬(wàn)，主體網(wǎng)格尺寸為2 mm。

1.3 求解參數(shù)設(shè)置

計(jì)算工況采用額定工況，穩(wěn)態(tài)計(jì)算，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)，流動(dòng)為可壓縮黏性湍流流動(dòng)，空氣采用理想氣體狀態(tài)方程，湍流模型選擇Realizableκ-εTwo-Layer模型，壁面函數(shù)采用Two-Layer ALL y+ Wall Treatment。殘差小于0.000 1，認(rèn)為計(jì)算收斂。

1.4 邊界設(shè)置

進(jìn)氣歧管穩(wěn)態(tài)CFD計(jì)算有兩種評(píng)價(jià)方法：方法一為壓損及壓損差異性評(píng)價(jià)方法，進(jìn)、出口分別采用壓力、質(zhì)量流量邊界；方法二為質(zhì)量流量和進(jìn)氣不均勻度評(píng)價(jià)方法，進(jìn)、出口都采用壓力邊界。兩種方法原理類(lèi)似，追求較小的壓損就對(duì)應(yīng)著較大的質(zhì)量流量，但進(jìn)、出口壓損變化較大時(shí)，流動(dòng)區(qū)域內(nèi)總的進(jìn)氣壓力(進(jìn)氣密度)和流速變化不大，所以質(zhì)量流量變化不大。因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)，壓損對(duì)不同流通結(jié)構(gòu)的差異性反映更為敏感，但質(zhì)量流量能夠直觀地展示進(jìn)氣量，更方便評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能否滿(mǎn)足實(shí)際需求。因此，在計(jì)算分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中，先采用方法一優(yōu)化結(jié)構(gòu)取得較優(yōu)的壓損，然后采用方法二進(jìn)行驗(yàn)證，綜合兩種評(píng)價(jià)結(jié)果確定最終數(shù)據(jù)并制作樣件，最后通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行確認(rèn)。邊界根據(jù)一維仿真結(jié)果設(shè)置，具體如下：

入口邊界：滯止入口，設(shè)置總壓；

方法一出口邊界：質(zhì)量流量出口，設(shè)置質(zhì)量流量值；

方法二出口邊界：壓力出口，將用方法一計(jì)算所得出口壓力均值設(shè)置為出口壓力。

計(jì)算時(shí)一個(gè)支管出口打開(kāi)，其他3個(gè)支管出口關(guān)閉(即設(shè)置為壁面邊界)，共計(jì)算4個(gè)工況。

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

壓損差異性εp:

進(jìn)氣不均勻度σmax[6]:

式中：pi和pm分別代表第i缸壓損和平均壓損；Qmax、Qmin和Qm分別代表各缸中的最大質(zhì)量流量、最小質(zhì)量流量和各缸平均質(zhì)量流量。

2 計(jì)算結(jié)果分析

如前所述，先采用方法一對(duì)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)流通性能進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。2缸和3缸的總體壓損和歧管壓損都明顯高于1缸和4缸，進(jìn)氣歧管壓損差異性比總體壓損差異性還大，說(shuō)明壓損差異性主要是由于進(jìn)氣歧管進(jìn)氣不均勻造成的。歧管壓損差異性更大也表明，進(jìn)氣歧管造成的進(jìn)氣不均勻性還需要缸蓋氣道進(jìn)行補(bǔ)償，說(shuō)明進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化以改善與缸蓋氣道配合。

圖2 原始模型壓損及壓損差異性

從圖3(對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)展示1缸和2缸)所示總壓分布來(lái)看，造成進(jìn)氣歧管壓損的部位主要在穩(wěn)壓腔與歧管氣道入口連接處，這對(duì)于各缸來(lái)說(shuō)都是一致的。

圖3 原始模型1缸和2缸表面總壓分布

圖4所示流線圖清晰地表明，由于歧管穩(wěn)壓腔入口距離兩側(cè)歧管氣道入口較遠(yuǎn)，且由于穩(wěn)壓腔的圓弧結(jié)構(gòu)對(duì)氣流起到了很好的引導(dǎo)作用，1缸和4缸氣流較為順暢。反觀2缸和3缸，由于受空間布置限制，歧管穩(wěn)壓腔入口距離中間兩個(gè)歧管氣道入口距離很短，且由于節(jié)氣門(mén)的導(dǎo)流作用，穩(wěn)壓腔沒(méi)有起到很好的穩(wěn)流效果，氣流撞擊穩(wěn)壓腔壁面產(chǎn)生了流動(dòng)分離，在穩(wěn)壓腔內(nèi)形成了較大的渦流，增加了流動(dòng)損失。這也是圖2中2缸和3缸壓損明顯比1缸和4缸壓損大很多的原因。

圖4 原始模型1缸和2缸流線分布

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果分析，對(duì)進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方向?yàn)樵诒ＷC1缸和4缸壓損不增加的前提下降低2缸和3缸的壓損。如圖5所示，歧管氣道采用變截面結(jié)構(gòu)，增大歧管氣道入口與穩(wěn)壓腔的流動(dòng)截面積，并在穩(wěn)壓腔內(nèi)1缸與2缸氣道之間以及3缸與4缸氣道之間增加導(dǎo)流板。

圖5 優(yōu)化前后進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)對(duì)比

優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果如圖6所示，優(yōu)化后總體壓損差異性大幅降低，這主要得益于歧管壓損差異性大幅降低，且歧管壓損差異性和總體壓損差異性相近，說(shuō)明改進(jìn)后的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)與缸蓋氣道配合合理。優(yōu)化后1缸和4缸總體壓損和歧管壓損沒(méi)有增加，2缸和3缸總體壓損和歧管壓損降低到與1缸和4缸相近，說(shuō)明結(jié)構(gòu)改進(jìn)之后有效改善了中間兩缸的進(jìn)氣流動(dòng)，使整體進(jìn)氣均勻性提高。優(yōu)化前、后的結(jié)果表明，進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)其流通性能和進(jìn)氣均勻性具有重要的影響。

圖6 優(yōu)化前后壓損和壓損差異性對(duì)比

優(yōu)化完成后，采用方法二對(duì)進(jìn)氣歧管的流通性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化后的進(jìn)氣量和進(jìn)氣不均勻度在合格范圍以?xún)?nèi)。采用優(yōu)化后的方案制作樣件并開(kāi)展試驗(yàn)，氣道穩(wěn)流試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的進(jìn)氣不均勻度比仿真結(jié)果高0.52%，偏差較小。這是由于樣件制作及裝配不可避免會(huì)產(chǎn)生偏差，但實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)氣不均勻度仍然在合格范圍內(nèi)，這也驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣量、最大功率和扭矩的要求。

4 結(jié)論

利用CAD/CFD相結(jié)合的手段對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管產(chǎn)品開(kāi)發(fā)開(kāi)展了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工作，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的進(jìn)氣歧管具有良好的進(jìn)氣均勻性，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)最大進(jìn)氣量、最大功率和扭矩的要求；進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣均勻性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體進(jìn)氣均勻性具有關(guān)鍵作用；進(jìn)氣歧管空間布置受限的情況下，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以獲得較好的流通性能和進(jìn)氣均勻性。

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