劉敏章，彭才望，肖林峰，胡敏

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)特性分析

劉敏章，彭才望，肖林峰，胡敏

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

∶FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響充氣效率?；赨G建立FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型，利用軟件FLUENT對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真，分析進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)壓力、速度等參數(shù)分布規(guī)律，得到進(jìn)氣系統(tǒng)空氣流量和進(jìn)氣歧管出口速度，從而為FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)。

∶FSAE；進(jìn)氣系統(tǒng)；流場(chǎng)分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.020

CLC NO.: U463.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-52-04

引言

FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)所有進(jìn)氣必須通過(guò)截面為圓形且直徑為20mm的限流閥，該限流閥安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門與進(jìn)氣門之間[1]。本文在質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等流體力學(xué)控制方程基礎(chǔ)上，采用三維湍流模型中的標(biāo)準(zhǔn)模型。根據(jù)進(jìn)氣系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)對(duì)進(jìn)氣性能影響規(guī)律，設(shè)計(jì)進(jìn)氣限流閥、諧振腔、進(jìn)氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后利用三維軟件UG建立FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型[2]。最后，通過(guò)ANSYS軟件中的FLUENT對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)模型進(jìn)行流場(chǎng)分析，根據(jù)分析結(jié)果為FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1、進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型建立及網(wǎng)格劃分

圖1進(jìn)氣系統(tǒng)三維模型Fig.1　Geometry of the air intake system

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)網(wǎng)格　Fig.2　Finite volume of　air intake system

基于UG建立FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)模型，該模型包括進(jìn)氣管、限流閥、諧振腔以及進(jìn)氣歧管等，如圖1所示，將簡(jiǎn)化后進(jìn)氣系統(tǒng)模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，劃分網(wǎng)格產(chǎn)生四面體或六面體。因模型邊界層處的梯度變化很大，為精確地描述，將邊界處網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分。最后形成有243181個(gè)單元數(shù)，546314個(gè)面，79277個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)分區(qū)，其網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

2、進(jìn)氣流場(chǎng)特性計(jì)算分析

本文以進(jìn)口處的空氣質(zhì)量流量為邊界條件。因氣體的可壓縮性比液體大得多，因而將其當(dāng)作可壓縮流體處理，且流體運(yùn)動(dòng)形態(tài)為湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ζ模型。為便于比較，改進(jìn)前后設(shè)置一致的邊界條件和初始條件：進(jìn)口邊界：采用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件。該發(fā)動(dòng)機(jī)為自然吸氣式且入口空氣溫度是在常溫下進(jìn)行的，進(jìn)口溫度設(shè)為26℃，入口邊界為310kg/h，不涉及換熱過(guò)程，因此只模擬其流動(dòng)性能。出口邊界：采用壓力出口邊界條件。出口壓力設(shè)為一個(gè)大氣壓，為101325Pa，出口溫度為26℃。壁面邊界：采用無(wú)滑移條件，溫度設(shè)為26℃[3][4]。

3、進(jìn)氣流場(chǎng)特性結(jié)果分析

根據(jù)FSAE大賽規(guī)則，為更好地模擬FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部的流體動(dòng)態(tài)情況，本文采用兩種方式進(jìn)行模擬仿真分析：進(jìn)氣總管進(jìn)口處就是進(jìn)口邊界，各進(jìn)氣歧管進(jìn)口邊界采用流量進(jìn)口方式，各進(jìn)氣歧管出口處即為出口邊界，采用壓力出口方式。分析的主要目標(biāo)參數(shù)是速度與壓力，因采用自然吸氣方式，且在常溫下進(jìn)行，溫度因素影響很小，分析計(jì)算中暫不考慮。

在模擬進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)時(shí)分為如圖3所示這四種情況分析，在測(cè)定某一進(jìn)氣歧管時(shí)，將讓氣體從進(jìn)氣總管經(jīng)由諧振腔流至這一歧管。

圖3　各進(jìn)氣歧管網(wǎng)格圖Fig.3　Finite volume model of pip inlet

圖4　各進(jìn)氣歧管截面處1的流速云圖Fig.4　Velocity graph of intake section 1

從圖4所示流速云圖可見，進(jìn)氣截面1位置的各進(jìn)氣歧管和諧振腔一端出現(xiàn)的流速梯度較大，造成了較大的進(jìn)氣流動(dòng)損失。其中，諧振腔內(nèi)部進(jìn)氣流速非常低，出現(xiàn)流速為0的部分，而進(jìn)氣歧管內(nèi)部的空氣流速大約是在50m/s左右。

圖5　截面1處不同進(jìn)氣歧管的流速跡線圖Fig.5　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 1

圖6　截面2處不同進(jìn)氣歧管流速云圖Fig.6　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 2

從圖5進(jìn)氣截面位置1處跡線圖可以分析內(nèi)部空氣的具體流動(dòng)情況，由所得跡線圖可得，出現(xiàn)明顯的旋渦現(xiàn)象，造成了比較大的空氣流動(dòng)損失。

根據(jù)圖6所示的進(jìn)氣截面處2位置可以看到進(jìn)氣總管和諧振腔內(nèi)部的流速梯度較大，諧振腔外圍流速也幾乎為0。另外，根據(jù)理論充氣量估算，設(shè)置進(jìn)口條件為143.6m/s，當(dāng)進(jìn)氣截面積縮小時(shí)，在進(jìn)氣限流閥處達(dá)到最大流速為324m/s左右。

圖7　進(jìn)氣截面處2位置的靜壓云圖Fig.7　Static pressure of intake section 2

從圖7中進(jìn)氣截面處2靜壓云圖可見，整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)中在限流閥位置處壓力最小，因?yàn)橥饨缈諝庠谶M(jìn)入進(jìn)氣總管后，進(jìn)氣阻力隨著進(jìn)氣截面面積減小不斷增大，到進(jìn)氣限流閥時(shí)達(dá)到最大值。但當(dāng)空氣流過(guò)限流閥后，因?yàn)榱魍ń孛嬖龃?，壓力回升。結(jié)合上圖6的流速云圖可見，在進(jìn)氣限流器處的流速達(dá)到最大，與總壓等于靜壓與動(dòng)壓之和有很好的一致性。

圖8　截面3處各歧管流速云圖Fig.8　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 3

圖9　進(jìn)氣截面處1位置的進(jìn)氣流場(chǎng)圖Fig.9　the flow field characteristic of intake section 1

從圖8所示的進(jìn)氣截面處位置3得到的流速云圖可見，進(jìn)氣總管與諧振腔連接部分的上方流速變化梯度較大，進(jìn)氣波動(dòng)流動(dòng)損失較大，影響進(jìn)氣流動(dòng)的平衡性。

從圖9進(jìn)氣截面處1位置的流速云圖可見，進(jìn)氣流速梯度較大，在進(jìn)氣歧管出口處的流速為在12m/s左右，與進(jìn)口設(shè)置的143.6m/s相比較，進(jìn)氣流動(dòng)流速損失較大；從進(jìn)氣截面處1位置靜壓云圖可見，出現(xiàn)了負(fù)壓情況，因?yàn)樵贔LUENT分析中，絕對(duì)壓力等于表壓與操作壓力之和，而操作壓力默認(rèn)為一個(gè)大氣壓，因此絕對(duì)壓力小于一個(gè)大氣壓，出現(xiàn)了較大的壓力損失。

從圖9所示進(jìn)氣截面處1的流速矢量圖可見，出現(xiàn)了旋渦現(xiàn)象，造成進(jìn)氣流動(dòng)損失。

圖10　進(jìn)氣截面2處進(jìn)氣流場(chǎng)圖Fig.10　the flow field characteristic of intake section 2

圖11　進(jìn)氣截面3處進(jìn)氣流場(chǎng)圖Fig.11　the flow field characteristic of intake section 3

從圖10進(jìn)氣截面處2位置流速云圖流速矢量圖分析可見，進(jìn)氣總管內(nèi)部流速梯度較大；從進(jìn)氣截面處2位置靜壓云圖出現(xiàn)了負(fù)壓的情況，此處絕對(duì)壓力略小于一個(gè)大氣壓，出現(xiàn)了較大的進(jìn)氣壓力流動(dòng)損失。

從圖11所示進(jìn)氣截面處3位置的流速云圖、靜壓云圖和流速矢量云圖可見，進(jìn)氣總管與諧振腔連接部分上方流速變化梯度較大，出現(xiàn)了較大的進(jìn)氣壓力損失。

圖12　進(jìn)氣截面處4位置圖Fig.12　Intake section 4

圖13 進(jìn)氣截面處4位置的流速云圖Fig.13　Velocity graph of intake section 4

當(dāng)FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管同時(shí)進(jìn)氣時(shí)，進(jìn)氣截面處4位置的網(wǎng)格劃分及截面位置如圖12所示，進(jìn)氣截面處4位置條件下進(jìn)氣歧管內(nèi)部的流速云圖如圖13所示。由圖13所示進(jìn)氣截面處4位置的流速云圖可見，流速主要集中于進(jìn)氣歧管壁邊緣而非進(jìn)氣歧管的正中間，這非常不利于FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)進(jìn)氣。

整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的跡線圖如圖14所示，從整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的跡線圖可見，內(nèi)部出現(xiàn)了很大的旋渦，造成了進(jìn)氣較大的流動(dòng)損失。

圖14　進(jìn)氣系統(tǒng)跡線圖Fig.14　The tracking chart of air intake system

邊界流量分析報(bào)告生成，如圖15所示。

圖15　邊界流量報(bào)告圖Fig.15　Figure boundary traffic report

從圖15所示邊界流量報(bào)告中可看出進(jìn)口(inlet)的質(zhì)量流量為0.086110018kg/s，這個(gè)數(shù)值為設(shè)置進(jìn)口邊界條件，而4個(gè)進(jìn)氣歧管出口(outlet1、2、3、4)的質(zhì)量流量分別為-0.018204169kg/s、-0.02630374kg/s、-0.022405764kg/s、-0.019196276kg/s，因?yàn)镕LUENT默認(rèn)當(dāng)流體從外界流入內(nèi)部時(shí)數(shù)值為正，相反地，當(dāng)流體從內(nèi)部流出到外界時(shí)則為負(fù)，所以該負(fù)值表示流體是從內(nèi)部向外流出，符合要求。圖15中的流量總和顯示為6.8917871e-08kg/s，即為0.0000000 68917871kg/s，符合質(zhì)量守恒定律。

4、結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)FSAE賽車在低速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)具有較高的轉(zhuǎn)矩，以滿足賽車的起步加速性能需求；高速時(shí)要求發(fā)動(dòng)機(jī)具有較大的大功率，以滿足最高車速的需求。本文基于UG建立進(jìn)氣系統(tǒng)的模型，通過(guò)FLUENT軟件對(duì)FSAE進(jìn)氣系統(tǒng)模型進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析，研究速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和靜壓場(chǎng)，為FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)提供理論依據(jù)，結(jié)果表明：

（1）高速流速區(qū)較集中在進(jìn)氣管壁緣處，諧振腔內(nèi)部和歧管出口處的流速較低，各處的速度損失較大；

（2）低壓區(qū)較較多多，壓力損失較大；

（3）出口處的質(zhì)量流量分布不均勻。

[1] 江大之星車隊(duì).江蘇大學(xué)2011年"江大之星"車隊(duì)賽車設(shè)計(jì)報(bào)告[R].江蘇:江蘇大學(xué),2011.

[2] 李志豐.FSAE進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)及流場(chǎng)特性分析[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2008.

[3] 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.

[4] 顧宏中.內(nèi)燃機(jī)中的氣體流動(dòng)及數(shù)值分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

Fluid simulation and analysis for FSAE air intake systems

Liu Minzhang, Peng Caiwang, Xiao Linfeng, Hu Min
(Hunan Agricultural University, Hunan, Changsha 410128)

Absract: The structural parameter of FSAE engine has significant effect on charging efficiency.The UG software is used to established the intake system model. Flow characteristic in intake system of engine was simulated by FLUENT software.Mass flow pressure and flow velocity of intake system of engine were get and compared. The method provides technological reference for the design of FSAE engine intake system.

FSAE; Air intake system; The flow field analysis

∶U463.3

∶A

∶1671-7988(2016)09-52-04

劉敏章，就讀于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化。彭才望，就職于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)。講師。