進氣歧管結(jié)構(gòu)對進氣流動影響的數(shù)值模擬

摘要：利用Fluent軟件對某型號多缸汽油機進氣歧管建立了三維數(shù)值模型，并對其穩(wěn)態(tài)流場進行了三維數(shù)值模擬與分析，研究了進氣歧管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對流場特性、壓力損失和流量特性等的影響。

關(guān)鍵詞：進氣歧管；數(shù)值模擬；流場特性;壓力損失；流量特性

中圖分類號：U464.134+4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0032-05

Effect of Parameters of Intake Manifold Structure on Characteristics of

Intake Flow Based on Simulation

NING Jun1，2，DANG Feng-ling2，YANG Na2，LI Li-guang1

（1.The Institute of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 200092，China;

2.Shanghai Fuel Cell Vehicle Powertrain CO.，LTD，Shanghai 201804，China）

Abstract: Based on Fluent software， a three dimensional model of the intake manifold of a certain multi-cylinder gasoline engine were carried out .Through the three dimensional numerical simulation and analysis of the steady flow ， it found out the effect of main parameters of intake manifold structure on the flow field， pressure loss and discharge characteristics.

Key words: intake manifold；numerical simulation; flow field; pressure loss; discharge characteristics

進氣系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分之一，其布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)對發(fā)動機的充氣效率、進氣阻力、進氣均勻性、缸內(nèi)混合氣運動和燃燒過程有著重要的影響，進而影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放特性。

進氣系統(tǒng)良好的結(jié)構(gòu)布置形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇有助于充分利用重力自然進氣，同時可以使發(fā)動機充分利用歧管內(nèi)氣體流動的動力效應，從而提高發(fā)動機的充氣效率，使發(fā)動機在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有良好的性能。

近年來，關(guān)于進氣歧管對發(fā)動機性能影響的試驗研究已有不少報道［1-4］，主要研究了各缸的進氣不均勻度、質(zhì)量流量、流量系數(shù)等。但關(guān)于模擬的研究有限，主要集中在對進氣歧管進行優(yōu)化計算，提供評估進氣歧管性能的方法。本文針對某型號汽油機進氣歧管的優(yōu)化設(shè)計，采用三維數(shù)值模擬計算方法，利用Hypermesh軟件和Tgrid軟件進行網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件對多缸發(fā)動機進氣歧管進行模擬，研究了進氣歧管結(jié)構(gòu)改進前后的流場特性、壓力損失和流量特性，分析了主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對進氣流動的影響。

1 進氣歧管網(wǎng)格劃分

研究對象汽油機排量為1.8 L，標定功率和轉(zhuǎn)速為74 kW和5 200 r/min。首先用Hypermesh和Tgrid軟件對進氣歧管三維模型進行四面體網(wǎng)格的劃分，在出口處對網(wǎng)格進行加密，并設(shè)置邊界條件，入口端的前端面設(shè)為質(zhì)量流量進口邊界，各個歧管的出口端面設(shè)置為自由流，其他均為壁面邊界，結(jié)果如圖1所示。

圖1 進氣歧管三維網(wǎng)格效果圖與邊界定義

表1 進氣歧管結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對比

對表1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行比較可知，進氣歧管改進前后結(jié)構(gòu)變化不大，主要是因為受發(fā)動機結(jié)構(gòu)限制。各歧管在出口面積不變時，增加了長度；同時穩(wěn)壓腔與歧管過渡面變長，進口長度減小。下面將進一步計算和分析這些結(jié)構(gòu)變化給流動所帶來的影響。

2 湍流方程

Fluent常用的湍流模型包括Spalart-Allmaras模型，標準κ~ω、RNG κ~ω和Realizable κ~ω模型，標準和SST κ~ω模型，雷諾茲壓力模型，大型艾迪仿真模型等等。本文的模擬計算所選用的是標準κ~ω湍流模型。

在標準κ~ε模型中，κ和ε是兩個基本未知量，與之相對應的輸運方程為：

（）+（i）=［（＋）］＋

Gk＋Gb--YM＋S（1）

（）+（i）=［（＋）］＋

G1（G＋G3Gb）-C2 +S（2）

式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的項；YM代表可壓縮湍流中脈動擴展的貢獻，C1ε、C2ε、C3ε是經(jīng)驗常數(shù)；σk和σε分別是與湍動能k和耗散率ε對應的湍流Prandtl數(shù)；Sk和Sε由用戶定義的源項；μt是湍動粘度，可表示成k和ε的函數(shù)，即：標準κ~ε模型中的參數(shù)見表2。

表2 標準κ~ε模型中的常系數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 流場特性模擬

首先，模擬進氣歧管齊開時的情況，分析流體內(nèi)部流動特性。改進前后進氣歧管模擬初始參數(shù)都選取進口質(zhì)量流量為0.057 57 kg/s（虛擬轉(zhuǎn)速為3 000轉(zhuǎn)/分），進口表壓為0（工作壓力為1.013E05Pa），四個歧管均設(shè)置為流出自由流；其他設(shè)置均與前文所述一致。

圖2~圖5是在計算邊界完全相同的情況下，分別為進氣歧管流體壓力等值云圖和流場跡線圖?？梢钥闯觯谠M氣歧管進氣過程中，氣流發(fā)生的旋轉(zhuǎn)、分離和回流現(xiàn)象明顯要大于改進后，特別是壓力值較大或較小的地方，如各歧管與穩(wěn)壓腔的過渡口以及歧管曲率半徑較大處等都會發(fā)生回流或旋轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。如圖2中，A點處為穩(wěn)壓腔左端，由于進氣口位于穩(wěn)壓腔右端，進氣氣流在A點處明顯受到擠壓，而形成死區(qū)增大壓力，增加流體與管壁或流體之間的摩擦，引起流體機械能的損失。在圖3中A點處產(chǎn)生了明顯的大面積回流。B、C、D、F點都是進歧管的過渡口，B、C、D點的壓力由于受到進口流體的沖擊造成壓力急劇上升。F點位于進口后方受到流速加之歧管曲率半徑的變化的影響產(chǎn)生了負壓、回流（見流速圖）和旋轉(zhuǎn)流，以及E點產(chǎn)生的二次流，都會造成額外的能量損失。氣流的旋轉(zhuǎn)在圖3中的四歧管中非常明顯，延續(xù)到歧管出口處，對流動均勻性影響也非常大。

圖6和圖7是上述計算條件下的流速圖，在流場跡線中無法判斷的回流現(xiàn)象，可以在流速方向上明顯得到。如圖6和圖7中A點處部分的回流現(xiàn)象在改進后的穩(wěn)壓腔內(nèi)明顯減弱且范圍減??；B、C、D、F處的回流也基本消失或改善。從流速矢量圖上也可以看出各個歧管內(nèi)氣流的旋轉(zhuǎn)相應減少，這些都有助于減少壓力損失。

3.2 單個進氣歧管壓力損失分析

已知結(jié)構(gòu)上改進后的歧管長度有所增加，為了進一步分析長度所帶來的影響，現(xiàn)通過研究內(nèi)部質(zhì)點的流跡圖，分別在改進前后的進氣歧管中取8個質(zhì)點，然后由后處理工具繪制質(zhì)點在歧管內(nèi)的流動情況。工況仍為3 000轉(zhuǎn)/分，只有歧管1（Outlet 1）為氣缸充氣。方便起見，質(zhì)點起點為穩(wěn)壓腔與歧管1號過渡截面上一直徑上的8個點。質(zhì)點編號如圖8所示。

從圖9和圖10中可以看出，質(zhì)點進入歧管后，隨著進氣歧管長度的增加，壓力是先降低再增加的。這是因為邊界面的增加而增大了沿程損失，在歧管長度約150~175 mm處，壓力達到了最小值。在此之后直至出口處，壓力都呈上升趨勢，分析認為此處受到進氣諧振作用而呈現(xiàn)了波峰趨勢，從而提高了出口壓力，進而有利于進氣。由圖9質(zhì)點號可以看出，4號、5號質(zhì)點位置為歧管軸線附近，壓力變化曲線相對于管壁附近的1號、8號幅度要小，如圖中橫坐標為25~150 mm處，說明隨著管徑的增大，其核心部分的流動隨曲率半徑的變化（見圖1）相對較穩(wěn)定，但是壁面附近的情況相對較差。與圖10比較，最大的差異是跡線起始點附近，壓力的集中度。在原歧管中由于穩(wěn)壓腔與歧管過渡段幾何結(jié)構(gòu)過于急劇，而產(chǎn)生較大的壓力梯度，這也是圖2和圖3中D、F點處產(chǎn)生回流與旋轉(zhuǎn)流的原因。

圖11和圖12為改進前后進氣歧管內(nèi)質(zhì)點不同位置的湍動能。在整個歧管中流動的質(zhì)點，后者的湍動能相對前者大，且沿程變化趨勢相對一致。湍動能的增大對提高進氣量有幫助。

觀察穩(wěn)壓腔與歧管的過渡口與長度約150~175 mm處歧管形狀結(jié)構(gòu)對所取質(zhì)點流動的影響，相對而言，后者的歧管結(jié)構(gòu)較平順，對流動的影響較小。從過渡口局部湍動能圖13和圖14可以看出，湍流區(qū)域發(fā)生了轉(zhuǎn)移，后者更靠近歧管軸線附近，這也解釋了為什么后者的流動更為均勻。

利用Fluent軟件內(nèi)質(zhì)點跡線圖來研究歧管長度的影響，雖然質(zhì)點的軌跡不代表歧管軸線，但是卻可以方便有效地做出內(nèi)部流動評價。

3.3 穩(wěn)壓腔對壓力損失的影響

圖15和圖16為改進前后進氣歧管穩(wěn)壓腔局部流速（Y方向流速圖），即流速在Y軸向的分量大小。需要說明的是該圖為歧管穩(wěn)壓腔在Y向上中間剖面上的流速圖，即理想流速應該沒有Y軸方向。圖中顏色偏紅處為Y向速度偏大處，即圖2中所示Ａ點處，前面提到該點處的回流較大，原因是穩(wěn)壓腔的結(jié)構(gòu)不合理而在進氣的沖壓下產(chǎn)生了不必要的能量損失。改進后的穩(wěn)壓腔容積比之前略微減少，但是真正產(chǎn)生影響的應該還是過渡口加長的關(guān)系，從兩圖中可以明顯看出這部分的流動要優(yōu)于改動前，進入歧管的氣流更加流暢，所以在流動死區(qū)在該截面上也基本消失。

3.4 流量特性分析

分支管出口截面流速不均勻，繼續(xù)上一節(jié)的工況條件并采用三維模型可精確計算各分支管出口質(zhì)量流量。質(zhì)量流量按如下公式計算［7］:

Q=AVdA（3）

式中，A表示計算截面；ρ是微元面的流體密度；V是微元面的流體速度。上式在計算截面上離散后得到：

Q=i（Vix Aix+Viy Aiy+Viz Aiz）（4）

式中，i是第i個計算單元的密度，Vix，Viy，Viz是第i個計算單元的中心速度在三個坐標方向的投影，Aix，Aiy，Aiz是第i 個計算單元的面積在三個坐標方向的投影， n 是計算截面上的單元數(shù)。按上述方法計算各分支管出口質(zhì)量流量如表3和表4 所示。同時給出fluent計算出口流量的數(shù)值，并進行誤差對比。

從表3中可看出， 各分歧管出口流量不均勻，outlet 1出口質(zhì)量流量最大，outlet 2 出口質(zhì)量流量最小。這說明多缸發(fā)動機各缸進氣不均勻。導致各缸進氣不均勻的原因主要有兩個: （1）各缸沿程流動損失不同。Outlet 1氣缸距離進口最近，沿程流動損失小;outlet 34最遠，沿程流動損失較大。（2）穩(wěn)壓腔容積影響。由于outlet 4開啟時受穩(wěn)壓腔左端回流的影響，減少了進氣量;（3）流體方向影響。氣缸進氣時，主流方向與2號歧管方向呈90度，對過渡段流動產(chǎn)生影響，相對于1號靠近進口以及3和4號死區(qū)改變主流方向看，只有2號影響較大。

表3中所述問題在表4依舊存在：靠近進氣口的outlet 1和2的進氣量仍然大于3和4，但是穩(wěn)壓腔問題有所緩和。

各缸進氣的不均勻性將直接影響各缸空氣與燃油的混合，從而影響燃燒過程的組織，使各缸的燃燒過程產(chǎn)生差異。因此，各缸進氣的不均勻性是內(nèi)燃機工作者所十分關(guān)心的課題。本文在進氣管各分支管出口流量的數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，研究了各缸進氣的不均勻性，為改善發(fā)動機各缸進氣均勻性，提高發(fā)動機工作性能提供了有效手段。

4 結(jié)論

（1）針對某型號汽油機進氣歧管內(nèi)的流動進行三維數(shù)值分析，為深入了解其幾何形狀對流動特性的影響和改型設(shè)計提供了理論依據(jù)。

（2）計算結(jié)果表明，過渡口的優(yōu)化與歧管長度的變化，對改善流動有明顯影響。

（3）計算結(jié)果表明，改型后各歧管的流量偏差值比改型前普遍變小。

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