李志香，李曉艷

（1.國家開放大學(xué) 理工教學(xué)部，北京 100039；2.北京興科迪科技有限公司，北京 100091）

1 引言

汽車規(guī)模的不斷擴大和對性能要求的提高，帶動了零部件輕量化的發(fā)展，汽車的輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的方向之一，塑料易于成型的特點使其被越來越多地用于制造發(fā)動機的進氣歧管和其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件[1]。塑料進氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計是塑料進氣歧管開發(fā)過程中至關(guān)重要的一環(huán)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計對發(fā)動機的功率、耗油量、轉(zhuǎn)矩等相關(guān)參數(shù)有著至關(guān)重要的影響[2-4]。結(jié)合實際生產(chǎn)和企業(yè)的要求，針對目前國家提出的節(jié)能減排的目標(biāo)，課題需要開發(fā)設(shè)計一款新型的塑料進氣歧管，從而來實現(xiàn)整車的輕量化要求。設(shè)計的過程中需要全面的兼顧下游的裝配生產(chǎn)環(huán)節(jié)及其相關(guān)因素，同時在設(shè)計的過程中要對進氣歧管進行力學(xué)分析，改進進氣歧管設(shè)計上的不合理結(jié)構(gòu)，提高進氣歧管的工作可靠性。

2 進氣歧管的三維型腔設(shè)計

2.1 進氣歧管基本結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇

在其他參數(shù)不變的條件下，根據(jù)主機廠給定基本長度參數(shù)，同時兼顧發(fā)動機總體尺寸和布置空間的限制，通過經(jīng)驗值和參考值確定進氣歧管優(yōu)化計算的優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)為進氣歧管長度和穩(wěn)壓腔容積，進氣歧管增加量不超過300mm。進氣歧管設(shè)計所需的初步參數(shù)為進氣歧管的等效軸線長度為400mm，靠近法蘭側(cè)等效管徑為φ40mm；法蘭口徑需要與給定的節(jié)氣門法蘭口徑相同，都為φ57mm；穩(wěn)壓腔側(cè)的管徑為φ58mm；穩(wěn)壓腔容積為1.3L。發(fā)動機進氣岐管型腔結(jié)構(gòu)將以該基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)進行設(shè)計。

2.2 進氣歧管的三維型腔設(shè)計方案

進氣歧管的氣道設(shè)計中要充分考慮進氣歧管的慣性波動效應(yīng)和能量損失，以增加充氣效率，同時還要考慮到其在發(fā)動機以及整車上的安裝空間、塑料件的成型工藝和摩擦焊接工藝。在設(shè)計程序中，一般情況下歧管的長度（即軸線長度）都由主機廠給定，因此在設(shè)計中可以適當(dāng)?shù)膶S線進行調(diào)整，但應(yīng)盡量避免改變軸線的長度。進氣岐管總共設(shè)計了四個方案，各個方案，如圖1所示。

圖1 進氣歧管三維型腔設(shè)計方案Fig.1 Three-Dimensional Cavity Design of Intake Manifold

在氣道的設(shè)計過程中，要注意所設(shè)計的氣道要滿足塑料制件的工藝要求，要保證分片方案的實施以利于后續(xù)模具的設(shè)計制作。另外在做分片時需要考慮焊接方向的確定，一般情況下使焊接方向和產(chǎn)品脫模方向一致。

3 進氣歧管的CFD分析

結(jié)合進氣歧管結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與發(fā)動機的性能密切相關(guān)的顯著特點，在設(shè)計初期通過3維參數(shù)化造型設(shè)計，生成4種不同的設(shè)計方案，下面我們使用STAR-CD軟件對4種方案進行CFD分析，來驗證哪種方案是最佳方案，從而以利于提高發(fā)動機的整體性能[5-6]。

3.1 Pro-surf導(dǎo)入幾何數(shù)據(jù)

首先將IGES格式的CAD文件導(dǎo)入Pro-surf中。由于CAD模型的點線面都是存在誤差的，不一定適合網(wǎng)格的生成，故首先使用Pro-surf的自動修復(fù)功能對原CAD模型進行表面幾何清理。在pro-surf里可以自動修補或者是根據(jù)有錯誤的線條檢查后進行修補。在修補后的模型基礎(chǔ)上劃分表面網(wǎng)格，因為四面體網(wǎng)格的計算速度較快，且四面體網(wǎng)格的計算結(jié)果要優(yōu)于其他的網(wǎng)格，所以選擇的是四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完之后，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分完后的圖形Fig.2 The Graph After Meshing

3.2 pro-star設(shè)定控制參數(shù)

網(wǎng)格劃分完之后我們需要在計算前設(shè)定邊界條件、工質(zhì)物性、計算內(nèi)容以及計算過程中的控制參數(shù)。

（1）進口壓力邊界條件

邊界條件采取壓力邊界：進口定義總壓為1個大氣壓，出口定義靜壓為0.75個大氣壓。

采用壓力進口邊界條件時需要對進口邊界處的k和ε進行估算?？筛鶕?jù)湍動強度Tt和特征長度L來估算進口的k和ε的分布：

（2）進口流量邊界條件

入口定義為指定流量，各歧管出口定義指定壓力。

（3）湍流模型

采用高雷諾數(shù)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[7]。

（4）壁面邊界條件

壁面溫度采用絕熱邊界條件，壁面速度采用無滑移邊界條件。在壁面區(qū)，為了避免在近壁區(qū)使用過細的計算網(wǎng)格，以減少計算時間，這里采用壁面函數(shù)法，將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)內(nèi)的相應(yīng)物理量聯(lián)系起來。

4 CFD計算結(jié)果及分析

4.1 速度場和壓力場分布計算

計算完畢之后進入后處理。在后處理階段，可以通過對速度場和壓力場的分析以及同一工況下管內(nèi)的壓力損失及各缸均勻性的結(jié)果，對進氣歧管的氣道性能較為準(zhǔn)確的判斷，從而以此為根據(jù)來確定歧管有效的截面和各管的進氣均衡性[8]。方案4各個管的速度場分布，如圖3所示。

圖3 進氣歧管各個管的速度場分布圖Fig.3 Velocity Field Distribution of Manifold

從速度場分布圖3可以得知，進氣歧管內(nèi)壁面沒有明顯的氣流分離現(xiàn)象，各管的流場相對較穩(wěn)定，進氣流速較大，進氣量也較大，流速多集中在較高的區(qū)域內(nèi)，高速區(qū)分布很多。方案4各管的壓力場分布，如圖4所示。

圖4 進氣歧管各管的壓力場分布圖Fig.4 Pressure Field Distribution of Each Tube of Intake Manifold

從壓力分布圖4可以看出，進氣歧管內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯壓力損失區(qū)域，從入口到出口，壓力值逐漸降低，穩(wěn)壓腔內(nèi)的壓力變化不大且分布均勻。

4.2 四種設(shè)計方案的比較

表1 4種方案在同一工況下進氣流量及各缸均勻性計算Tab.1 Air Flow and Cylinder Uniformity Under the Same Working Condition of Four Schemes

圖5 方案1和方案4空氣質(zhì)量流量均衡性比較Fig.5 Comparison of Air Mass Flow Balance Between Scheme 1 and Scheme 4

CFD軟件計算結(jié)果，如表1所示。從表1中我們可以看出前三個方案中各管的空氣質(zhì)量流量均衡性較差，方案4的空氣質(zhì)量流量均衡性較好。從圖5可以看到，方案1沒有導(dǎo)流筋，方案4增加了兩條導(dǎo)流筋，在增加了兩條導(dǎo)流筋之后，可以極大的提高氣道的流動均衡性。根據(jù)進氣歧管自身的狀態(tài)，以及CFD分析結(jié)果中速度場和壓力場的分布狀況，方案4對進氣歧管增加適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流筋可以使各支管流量均勻，流場流通性好，氣道進氣流暢，未形成大的渦，這樣氣流噪聲也較小，流體流動有效截面變化較好，各管進氣均衡性較好，能達到發(fā)動機所要求的性能。另外，CFD分析提供清晰的內(nèi)部流場和壓力場信息，可以為設(shè)計人員設(shè)計進氣歧管提供可靠的理論依據(jù)[9-10]。根據(jù)對四個方案的比較，最終確定選用第4個方案。

5 小結(jié)

主要設(shè)計了進氣歧管的氣道，提出了四種設(shè)計方案。為提高進氣歧管內(nèi)的氣體流動性，方案4在穩(wěn)壓腔內(nèi)部增加了導(dǎo)流筋，可以極大的提高氣道的流動均衡性，進氣歧管三維型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計比較合理。從速度場分布圖可以得知，進氣歧管內(nèi)壁面沒有氣流分離現(xiàn)象，流場相對較穩(wěn)定；從壓力分布圖可以看出，歧管內(nèi)部沒有出現(xiàn)明顯壓力損失區(qū)域，無氣流壁面分離現(xiàn)象，可見改型后歧管內(nèi)流動阻力和空氣流量系數(shù)均優(yōu)于原機型。CFD模擬不能完全代替實際的試驗測量，為確保設(shè)計的合理性與結(jié)果，塑料進氣歧管進氣道的最終確定必須經(jīng)過進氣歧管的氣體流動試驗、發(fā)動機裝配試驗以及發(fā)動機臺架試驗來驗證，根據(jù)發(fā)動機的外特性驗證進氣道的性能從而確定最終的模型結(jié)構(gòu)。