某發動機進氣歧管CFD分析

穆芳影，張超，王宏大，王軍，雷蕾

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

?

某發動機進氣歧管CFD分析

穆芳影，張超，王宏大，王軍，雷蕾

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230601)

在發動機的開發過程中，需要評估其進氣歧管結構是否能夠滿足進氣均勻性的評價標準。利用CFD軟件，通過對某發動機進氣歧管進行穩態分析，計算得到各缸的質量流量、流量系數及流量系數差異性。結果表明：該發動機進氣歧管的流量系數差異性在評價標準范圍內，滿足進氣歧管進氣均勻性要求。在發動機進氣歧管開發過程中，CFD分析可以大大減少產品開發周期、降低試驗和人工成本。

進氣歧管；進氣均勻性；CFD分析

0　引言

發動機進氣系統的作用是盡可能多和均勻地向各個氣缸供應新鮮的空氣[1-2]。進氣歧管是發動機進氣系統的重要組成部分，其作用是將新鮮的空氣分配到各個氣缸對應的缸蓋進氣道[3]。進氣歧管性能的好壞直接影響發動機進氣量的大小，進而影響發動機的動力性和經濟性[4-5]。在發動機的設計開發過程中，必須對進氣歧管的進氣均勻性進行分析，確保其滿足一定的評價標準[6]。

文中分析的對象是某發動機的進氣歧管。模擬得到各進氣支管出口的質量流量、流量系數及流量系數差異性，并且得到其壓力分布圖和流動跡線分布圖。根據這些結果評價進氣歧管性能的好壞。CFD分析在發動機進氣歧管設計中發揮了越來越大的作用[7-8]。

1　模型建立

1.1數模

圖1為文中分析的進氣歧管結構。新鮮空氣從進氣歧管入口進入穩壓腔，然后經各進氣支管流動到進氣歧管出口。4個氣缸對應的進氣歧管出口分別為BC_1、BC_2、BC_3、BC_4。由于不考慮廢氣，所以廢氣管入口設為壁面。

1.2網格劃分

對進氣歧管模型進行體網格劃分，見圖2。體網格總數約為30萬，其中大部分為六面體網格。

考慮到壁面附近的邊界層影響，在壁面上生成一層邊界層網格。為了避免在模型的進、出口邊界面出現回流情況，在進、出口面處各拉伸20層左右的網格。

1.3求解器參數

由于在進氣歧管中流動的介質為新鮮空氣，空氣流動速度不是很高，計算中假設流動是不可壓縮的。采用迎風離散格式，一階隱式格式離散時間項，壓力與速度耦合算法選擇SILMPLE。假設空氣為理想氣體，湍流模型為k-z-f方程，使用混合壁面函數描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求計算結果殘差值小于0.000 1。

1.4計算工況及邊界條件

文中是穩態計算，工況為一個進氣歧管支管打開，其他3個進氣歧管支管關閉。總共計算了4個工況，分別見表1。

表1　計算工況

文中計算的邊界條件：入口設置為總壓，出口設置為靜壓。

2　計算結果分析

2.1評價標準

(1)進氣歧管各出口的流量系數是否均勻通常是評價進氣均勻性的常用方法。一般要求4個進氣支管的流量系數差異性控制在5%以內。

(2)流量系數計算公式如下所示：

其中:mth為理論流量(kg/h);R為氣體常數(287.14kJ/kg);T為溫度(K);p為入口壓力(Pa);p0為出口壓力(Pa);Aref為支管截面面積(m2);ψ為流量因子(-);κ為絕熱指數(一般為1.41);mcalc為計算得到的質量流量(kg/h);α為流量系數(-)。

2.2計算結果

(1)質量流量、流量系數及流量系數差異性

表2為進氣歧管各支管出口的計算結果，包括質量流量、流量系數及流量系數差異性。進氣支管1～4對應的質量流量分別為218、221、225、211kg/h。

表2　計算結果

進氣支管1～4對應的流量系數分別為0.770 0、0.768 0、0.778 6、0.726 4。流量系數最大正偏差出現在進氣支管3，其值為2.34%。流量系數最大負偏差出現在進氣支管4，其值為-4.51%。支管4的流量系數最小是因為進氣歧管前的彎管導流作用，空氣進入穩壓腔后形成一個漩渦，它與支管4方向相反。但是該進氣歧管流量系數最大正偏差和負偏差均在評價標準范圍內。

(2)壓力分布和速度分布

圖3為進氣歧管各工況下的壓力分布圖。可以看出壓力從入口到出口逐步降低，沒有壓力發生突變的部位。

圖4為進氣歧管各工況下的速度跡線圖。可以看出：氣體從進氣歧管入口進入后，在穩壓腔內部和支管的流動情況。空氣在穩壓腔內形成漩渦，隨后流向出口位置。

3　結論

通過對某發動機進氣歧管進行CFD分析，得到以下結論：

(1)該發動機進氣歧管流量系數差異性在評價標準范圍內，滿足進氣歧管進氣均勻性要求；

(2)在發動機進氣歧管設計開發過程中，CFD分析可以大大減少產品開發周期、降低試驗和人工成本。

【1】陳家瑞.汽車構造(上冊)[M].北京：機械工業出版社，2009：190-193.

【2】周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，1996:82-86.

【3】錢多德，姚煒.汽油機排氣歧管內流場CFD模擬[J].內燃機與動力裝置，2010(5)：30-32.

【4】葉明輝，黃露,帥石金,等.基于一維、三維及耦合模型的汽油機進氣系統優化[J].車用發動機，2007，169(3)：44-49.

【5】陳征，張波,堯命發,等.基于數值模擬的排氣歧管優化策略[J].內燃機工程，2009,30(3)：51-56.

【6】黃澤好，張浩亮，孫章棟.某發動機排氣歧管流場分析與結構優化[J].西南大學學報：自然科學版,2011(1):153-157.

【7】李湘華，張小蛟.柴油機排氣歧管流場分析與結構優化[J].柴油機，2006(4):25-30.

【8】王晗，蔡憶昔，毛笑平.發動機進氣系統不均勻性的三維數值模擬[J].小型內燃機與摩托車，2007，36(3)：41-44.

CFDAnalysisfortheIntakeManifoldofanEngine

MUFangying,ZHANGChao,WANGHongda,WANGJun,LEILei

(AnhuiJianghuaiAutomobileCo.,Ltd.,HefeiAnhui230601,China)

Inthedevelopmentprocessoftheengine,whethertheintakemanifoldstructurecansatisfytheevaluationstandardofintakeuniformityisneededtoassess.TheintakemanifoldofanenginewasanalyzedusingCFDsoftware.Themassflow,theflowcoefficientandthedeviationoftheflowcoefficientwerecalculatedforeachcylinder.Theresultsshowthat:thedeviationsoftheflowcoefficientsareamongthestandard,theuniformityrequirementsfortheintakemanifoldaresatisfied.Inthedevelopmentprocessoftheintakemanifold,thecycleoftheproductdevelopment,thecostofthetestandmanpowerarereducedgreatlybyCFDanalysis.

Intakemanifold;Intakeuniformity;CFDanalysis

2015-03-17

穆芳影，女，學士，工程師，研究方向為發動機設計。E-mail:563420286@qq.com。