基于Ansys的賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣有限元分析

摘要：基于ANSYS 的CFD 的有限元仿真環(huán)境該賽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真研究，得出該車體的速度云圖、質(zhì)量流量曲線等，并根據(jù)模擬仿真結(jié)果對(duì)汽車的氣動(dòng)造型提出一些建議，為優(yōu)化汽車發(fā)動(dòng)機(jī)及改善其動(dòng)力學(xué)特性提供參考。

關(guān)鍵詞： Ansys 發(fā)動(dòng)機(jī) 進(jìn)排氣 有限元分析

1.Ansys軟件簡(jiǎn)介

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer， NASTRAN， I-DEAS， AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAE工具之一。可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題。軟件主要包括三個(gè)部分：前處理模塊，分析計(jì)算模塊和后處理模塊。

2.發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)為四缸機(jī)，在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣時(shí)需要考慮到各缸之間的影響，因此穩(wěn)態(tài)分析不能看出氣體在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，需要采用瞬態(tài)分析。此次分析采用了CFX流體分析模塊

為了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣能力進(jìn)行評(píng)判，從而提出優(yōu)化方案，需要對(duì)其進(jìn)行流體仿真。在此，由于賽車在運(yùn)行中常用工況為10000r/min并且為較大負(fù)荷，所以選取該工況下做瞬態(tài)仿真。仿真采用了四面體網(wǎng)格，邊界層為5層，如下圖1。

在10000r/min下，發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為0.012s，則可以將曲線與曲軸轉(zhuǎn)角關(guān)系轉(zhuǎn)換為曲線與時(shí)間關(guān)系。考慮到節(jié)約計(jì)算機(jī)成本，仿真了四個(gè)循環(huán)，即0.048s，時(shí)間步長為0.0004s。各缸進(jìn)氣的速度云圖，如下圖2

橫坐標(biāo)為曲軸轉(zhuǎn)角，坐標(biāo)為質(zhì)量流量（kg/s），通過速度云圖可知，當(dāng)二三缸在進(jìn)氣時(shí)，其湍流程度較大。因此可以增加該兩缸歧管入口處的面積，來減小渦流的產(chǎn)生，從而減小進(jìn)氣溫度，增加進(jìn)氣量。

3.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣分析

橫坐標(biāo)為曲軸轉(zhuǎn)角，坐標(biāo)為質(zhì)量流量（kg/s）。根據(jù)速度云圖可知，排氣初段的大容積腔內(nèi)湍流程度較大，對(duì)排氣有一定的不利因素，因此需要將該腔修改盡量圓滑，來保證排氣的暢通。

總結(jié)：

汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣特性直接影響著汽車的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和穩(wěn)定性。，在ANSYS/CFD有限元仿真環(huán)境中對(duì)所建立的模型進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算并得出相關(guān)的仿真結(jié)果，為優(yōu)化汽車車型及改善汽車空氣動(dòng)力學(xué)特性的進(jìn)一步研究提供了參考。

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作者簡(jiǎn)介：龔建全（1988-，四川省渠縣人，學(xué)生，現(xiàn)就讀于2010級(jí)西華大學(xué)機(jī)械電子工程，主要學(xué)習(xí)和研究CAD/CAM。