發動機進氣道的優化仿真

德州學院汽車工程學院 王志雄

1.引言

進氣道氣流流動狀態最終直接影響發動機經濟性、排放性以及動力性。因此，發動機進氣道的理論研究和實際工程的設計成為發動機研究者的重要課題之一。傳統的進氣道設計流程是經驗設計加穩流試驗臺上的反復試驗。在設計開發中存在著較大的盲目性與局限性，不僅設計開發期長，耗費大，而且較難得到理想的方案。通過對進氣道內氣體流動的三維數值模擬計算，可獲得流量系數，氣道內壓力、流速等參數的空間分布，并建立氣道形狀、安裝位置與氣體流動特性(包括流量數等)的關系，為汽車發動機進、排氣道的設計與改進提供依據。

2.工作流程

工作流程如圖1所示。基本控制方程通常包括質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程，以及這些方程相應的定解條件。確定離散化方法。即確定高精度、高效率的離散化方法，具體的說就是確定針對控制方程的離散化法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的離散方法不僅包括微分方程的離散方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立、邊界條件的處理等。

圖1 工作流程圖

3.模型的建立

氣缸直徑取68mm，氣缸的長度為170mm。在進氣道進口處增加一個穩壓箱，作用時使進氣道入口處的氣流流動狀態穩定，這樣便在計算入口邊界條件中施加了一個穩定的壓力條件。發動機進氣道如圖2所示，氣缸簡化為圓柱體，氣缸蓋如圖3所示，進氣道-氣門-氣缸如圖4所示，最終計算用模型如圖5所示。

本文采用六面體和四面體的混合網格，在穩壓箱及氣缸內采用六面體網格，在進氣道、氣門、氣缸蓋處采用非結構化網格。這樣既節省了運算時間，又解決了進氣道處外形結構復雜區的網格劃分。將入口、出口、氣缸壁面等分別創建PART，以增加邊界條件；將進氣道-氣門-氣缸蓋所在空間創建BODY命名為LIVE1并保證該點在各個棉所圍成的空間內，如圖6所示。由于四面體網格生成是以BODY為單位進行的，將穩壓箱、氣缸部分創建塊，利用約束、拉伸塊等工具創建、分割塊，以適應本部分體積結構。并在此部分生成六面體網格，對局部網格進行加密，并檢查網格質量。生成四面體網格。生成四面體網格時需要對邊界處進行加密，以便觀察近壁面處，且確保壁面函數法有效，如圖7所示。

網格數目、類型及體積如表1所示。

表1 網格數目、類型及體積

4.氣道模擬仿真結果與分析

圖8是當氣門升程為8mm時，截面a上的速度分布圖，由圖可知排氣門處(即圖中1)、喉口位置(即圖中2和3處)及氣門下方可以很明顯的看見此氣道存在明顯的滯止回流區，以上地方會造成缸內混合不均勻，極大的影響發動機的排放性能機動力性能，設計時需要對以上地方進行修改。圖中4處氣流與氣門頭部發生碰撞，氣流流動方向發生改變，并消耗了氣流流動動能。其流動能的減小與流動方向的變化導致4處氣流速度減小。在三維建模時盡量增大4處的圓角，這樣就能減小交接處的碰撞。

圖9為當氣門升程為8mm時，截面a的速度等值線云圖。由圖可知在氣門喉口位置的速度等值線分布很不均勻。其中速度等值線在喉口位置相對進氣道等其他地方要密，表明喉口位置速度比進氣道其他位置速度要大。氣門下方有兩個地方速度比氣道其他地方速度等值線要密(圖中1和2處)，其分布是以這兩處為中心成漩渦狀。這也可以說明上述位置會產生很強的滾流。

5.結論

運用三維造型軟件Auto CAD，建立氣道-氣門-氣缸實體模型，利用Ansys，建立包括氣道一氣門一氣缸在內的計算域網格，利用Ansys對Auto CAD建立好的計算模型劃分網格，進行三維模擬計算。通過三維數值模擬找出了氣道幾何不合理的部分，采用CAD/CFD進行優化，為汽車發動機進、排氣道的設計與改進提供依據。

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