龍彪，陳良，黃英銘，朱晨虹，占文鋒，邵發(fā)科

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

進氣歧管作為發(fā)動機進氣系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，具有將新鮮空氣分配到各個缸蓋進氣道的重要作用，其布置形式和流通結(jié)構(gòu)對進氣阻力、進氣均勻性和缸內(nèi)混合氣運動有著很大的影響，進而影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性[1-3]。隨著大眾對車輛舒適性的要求越來越高，整車對發(fā)動機的NVH(Noise Vibration Harshness)性能要求也越來越嚴格。設(shè)計合理的進氣歧管不僅具有較低的流動噪聲，還可以使發(fā)動機各缸輸出更加均勻，改善發(fā)動機乃至整車的NVH性能，因此，進氣歧管的設(shè)計已成為保證發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、排放特性和NVH性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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

1 模型建立

1.1 實體模型

對于進氣歧管三維CFD分析，大量學者都只針對進氣歧管結(jié)構(gòu)本身進行流動分析，很少考慮進氣歧管前節(jié)氣門對進氣歧管內(nèi)部流動的影響和進氣歧管與缸蓋氣道相配合的效果。因此，文中將結(jié)合節(jié)氣門與缸蓋氣道對進氣歧管內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析和設(shè)計優(yōu)化。圖1為某發(fā)動機進氣歧管、節(jié)氣門和缸蓋氣道內(nèi)腔三維數(shù)模，為了避免在模型的進出口邊界出現(xiàn)回流情況，在進出口處進行延伸。p1、p2、p3、p4分別表示節(jié)氣門前、進氣歧管入口、缸蓋氣道入口和缸蓋氣道出口截面總壓。計算過程中，當分析某一缸進氣流動時，其他3個缸蓋氣道可省略，以減少計算內(nèi)存、縮短計算時間。

圖1 三維模型

1.2 網(wǎng)格劃分

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

1.3 求解參數(shù)設(shè)置

計算工況采用額定工況，穩(wěn)態(tài)計算，節(jié)氣門全開，流動為可壓縮黏性湍流流動，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，認為計算收斂。

1.4 邊界設(shè)置

進氣歧管穩(wěn)態(tài)CFD計算有兩種評價方法：方法一為壓損及壓損差異性評價方法，進、出口分別采用壓力、質(zhì)量流量邊界；方法二為質(zhì)量流量和進氣不均勻度評價方法，進、出口都采用壓力邊界。兩種方法原理類似，追求較小的壓損就對應著較大的質(zhì)量流量，但進、出口壓損變化較大時，流動區(qū)域內(nèi)總的進氣壓力(進氣密度)和流速變化不大，所以質(zhì)量流量變化不大。因此，相對來說，壓損對不同流通結(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氣量，更方便評價所設(shè)計的產(chǎn)品能否滿足實際需求。因此，在計算分析及設(shè)計優(yōu)化過程中，先采用方法一優(yōu)化結(jié)構(gòu)取得較優(yōu)的壓損，然后采用方法二進行驗證，綜合兩種評價結(jié)果確定最終數(shù)據(jù)并制作樣件，最后通過試驗進行確認。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，將用方法一計算所得出口壓力均值設(shè)置為出口壓力。

計算時一個支管出口打開，其他3個支管出口關(guān)閉(即設(shè)置為壁面邊界)，共計算4個工況。

1.5 評價指標

壓損差異性εp:

進氣不均勻度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 計算結(jié)果分析

如前所述，先采用方法一對進氣歧管的結(jié)構(gòu)流通性能進行分析，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，進氣歧管壓損差異性比總體壓損差異性還大，說明壓損差異性主要是由于進氣歧管進氣不均勻造成的。歧管壓損差異性更大也表明，進氣歧管造成的進氣不均勻性還需要缸蓋氣道進行補償，說明進氣歧管的結(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(對稱結(jié)構(gòu)展示1缸和2缸)所示總壓分布來看，造成進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，這對于各缸來說都是一致的。

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，且由于穩(wěn)壓腔的圓弧結(jié)構(gòu)對氣流起到了很好的引導作用，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歧管氣道入口距離很短，且由于節(jié)氣門的導流作用，穩(wěn)壓腔沒有起到很好的穩(wěn)流效果，氣流撞擊穩(wěn)壓腔壁面產(chǎn)生了流動分離，在穩(wěn)壓腔內(nèi)形成了較大的渦流，增加了流動損失。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，對進氣歧管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化方向為在保證1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缸氣道之間增加導流板。

圖5 優(yōu)化前后進氣歧管結(jié)構(gòu)對比

優(yōu)化后計算結(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，說明改進后的進氣歧管結(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，說明結(jié)構(gòu)改進之后有效改善了中間兩缸的進氣流動，使整體進氣均勻性提高。優(yōu)化前、后的結(jié)果表明，進氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞對其流通性能和進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比

優(yōu)化完成后，采用方法二對進氣歧管的流通性能進行驗證，結(jié)果表明優(yōu)化后的進氣量和進氣不均勻度在合格范圍以內(nèi)。采用優(yōu)化后的方案制作樣件并開展試驗，氣道穩(wěn)流試驗臺測得的進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產(chǎn)生偏差，但實際產(chǎn)品進氣不均勻度仍然在合格范圍內(nèi)，這也驗證了仿真結(jié)果的準確性和有效性。此外，發(fā)動機外特性試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的進氣歧管滿足發(fā)動機最大進氣量、最大功率和扭矩的要求。

4 結(jié)論

利用CAD/CFD相結(jié)合的手段對某發(fā)動機進氣歧管產(chǎn)品開發(fā)開展了結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化工作，結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的進氣歧管具有良好的進氣均勻性，滿足發(fā)動機最大進氣量、最大功率和扭矩的要求；進氣歧管的進氣均勻性對發(fā)動機整體進氣均勻性具有關(guān)鍵作用；進氣歧管空間布置受限的情況下，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計也可以獲得較好的流通性能和進氣均勻性。

參考文獻:

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