中國(guó)大學(xué)生方程式賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與流場(chǎng)分析

龍?jiān)坪?王子燁 李　穎 王海青

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210000）

中國(guó)大學(xué)生方程式賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與流場(chǎng)分析

龍?jiān)坪?王子燁 李穎 王海青

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210000）

根據(jù)大學(xué)生方程式賽事對(duì)賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣限流的規(guī)定，并結(jié)合我校寧遠(yuǎn)車隊(duì)往年的參賽經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新賽季賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。利用CATIA軟件和UG軟件建模和有限元分析、ANSYS軟件仿真分析，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)形式及相關(guān)部件參數(shù)進(jìn)行選擇，并進(jìn)一步確定進(jìn)氣歧管連接的四管直徑和諧振腔的容積這兩個(gè)參數(shù)。同時(shí)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等方面的優(yōu)化。

FSAE賽車；進(jìn)氣系統(tǒng)；仿真；優(yōu)化

中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽是中國(guó)汽車工程及其合作伙伴在學(xué)習(xí)和總結(jié)了美國(guó)、日本、德國(guó)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情創(chuàng)辦的新型活動(dòng)。在這項(xiàng)賽事里，要求參賽隊(duì)伍按照比賽規(guī)則，設(shè)計(jì)制造和測(cè)試一輛一級(jí)方程式賽車來(lái)參加比賽。我們知道，影響賽車性能的核心部件是發(fā)動(dòng)機(jī)，而進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能的發(fā)揮尤為重要。根據(jù)賽事規(guī)則，進(jìn)氣系統(tǒng)的安裝與制造有四大要求：①進(jìn)氣系統(tǒng)不得超出外框；②進(jìn)氣歧管必須用支架或機(jī)械固定；③節(jié)氣門必須為機(jī)械控制；④必須在進(jìn)氣系統(tǒng)的節(jié)氣門與發(fā)動(dòng)機(jī)之間加裝一個(gè)限流閥，并且所有進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的進(jìn)氣氣流要經(jīng)過(guò)該限流閥（最大直徑20mm，且截面不能發(fā)生變化）。

結(jié)合大賽規(guī)則與往年參賽經(jīng)驗(yàn)，我校寧遠(yuǎn)車隊(duì)選用HondaCBR600摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)為賽車發(fā)動(dòng)機(jī)，而原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)粗糙且進(jìn)氣效率值不高，且作為摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，其進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式與性能均不符合賽事要求，所以我們將根據(jù)賽事規(guī)則要求來(lái)對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)并進(jìn)行優(yōu)化與流場(chǎng)分析。

1.進(jìn)氣系統(tǒng)方案的確定與設(shè)計(jì)

1.1進(jìn)氣系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

通過(guò)查找資料并結(jié)合我們所學(xué)的知識(shí)，我們了解到進(jìn)氣系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)的供給系統(tǒng)，包含了空濾器、節(jié)氣門、進(jìn)氣門、諧振腔、進(jìn)氣總管、進(jìn)氣歧管等結(jié)構(gòu)與零部件。

1.2進(jìn)氣形式的確定

現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣形式主要有渦輪增壓、機(jī)械增壓與自然進(jìn)氣3種。3者相比，渦輪增壓勝在能很容易地提升性能，且易調(diào)校，但缺點(diǎn)是油耗有提升，低轉(zhuǎn)速下有明顯的渦輪遲滯，動(dòng)力輸出不線性，壽命相對(duì)較短且保養(yǎng)費(fèi)用較貴；機(jī)械增壓的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)力輸出線性，壽命很長(zhǎng)，但缺點(diǎn)是動(dòng)力提升的效果不如渦輪增壓，且維修保養(yǎng)費(fèi)用昂貴，同時(shí)需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行改動(dòng)，工作量較大；此外則是自然進(jìn)氣，雖然進(jìn)氣效率比不上前兩種進(jìn)氣方式，但是工作平穩(wěn)可靠，動(dòng)力輸出線性，并且充氣效率的改變可以通過(guò)改變進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，且根據(jù)以往賽事經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)常處于中低轉(zhuǎn)速的工況下，所以我們選擇自然進(jìn)氣為我們的進(jìn)氣方式。

1.3進(jìn)氣管形式的設(shè)計(jì)

我們的進(jìn)氣系統(tǒng)采用對(duì)稱布置，如圖1所示，這種形式的布置有利于各缸的進(jìn)氣平衡。在賽車行駛的過(guò)程中，由于進(jìn)氣系統(tǒng)的最前端逆著氣流方向，使得進(jìn)氣口的撞風(fēng)量較大，發(fā)動(dòng)機(jī)能得到足夠的新鮮空氣。

表1　 3種不同錐角的限流閥分析結(jié)果對(duì)比

2.進(jìn)氣系統(tǒng)各部件參數(shù)的選擇

對(duì)于賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)而言，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的高低取決于進(jìn)氣量的多少，同時(shí)結(jié)合所學(xué)知識(shí)，我們知道進(jìn)氣系統(tǒng)存在著進(jìn)氣諧振效應(yīng)。由于我們的賽車采用的進(jìn)氣方式為自然吸氣，所以為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)，我們必須要合理地運(yùn)用進(jìn)氣諧振效應(yīng)。通過(guò)查閱資料，了解到影響進(jìn)氣系統(tǒng)諧振效應(yīng)的主要因素是進(jìn)氣歧管的口徑及諧振腔的容積，在后文中將說(shuō)明我們對(duì)于這兩大因素的優(yōu)化與調(diào)整。首先，我們要嘗試確定其他部位合理的參數(shù)。

2.1節(jié)氣門口徑

根據(jù)相關(guān)要求，節(jié)流閥的控制為機(jī)械控制，因此，我們選擇了一個(gè)蝴蝶閥節(jié)氣門。當(dāng)使用原文氏管節(jié)氣門（直徑45mm）時(shí)，節(jié)氣門口徑過(guò)大，會(huì)帶來(lái)一定程度上的油門遲滯現(xiàn)象。為保證較快的油門響應(yīng)和足夠的進(jìn)氣量，我們參考了以往的相關(guān)論文，調(diào)整節(jié)氣門口的直徑至35mm，從而降低了進(jìn)氣口的截面積，相對(duì)地提高了進(jìn)氣量。

2.2進(jìn)氣總管長(zhǎng)度

限流閥位于進(jìn)氣總管的最前端，也是進(jìn)氣總管的一部分，所以我們將進(jìn)氣總管的結(jié)構(gòu)形式確定為文氏管（進(jìn)氣管的橫截面一頭由細(xì)逐漸擴(kuò)大），該橫截面可迅速縮小空氣流，以增加空氣速率，同時(shí)將紊亂的氣流整合。進(jìn)氣管太長(zhǎng)時(shí)，會(huì)影響在高速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率；而當(dāng)進(jìn)氣歧管過(guò)短時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下表現(xiàn)較差。參考賽事要求以及我校賽車整體設(shè)計(jì)，進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度的初選是221mm。

2.3諧振腔體積

為了大概計(jì)算進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度，我們使用了公式L=30a/（nq），在這里，a=340m/s，n是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所述q是波動(dòng)系數(shù)（這里，q=1.5，2.5，3.5...）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們將進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度初步確定為62mm。

2.4限流閥角度

從文獻(xiàn)［4］中，我們得知，根據(jù)比賽規(guī)則，在FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，限流閥對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力變化和速度變化具有較大影響，這一點(diǎn)非常重要。如圖2所示節(jié)流閥模型，限流閥形狀的改變對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的發(fā)揮有著重要的影響。

限流閥開(kāi)口處有一定的錐角，外緣呈喇機(jī)口狀展開(kāi)，由于限流閥本體是一個(gè)截面逐漸收小的進(jìn)氣管，喇叭口和錐角的設(shè)計(jì)可以更好地收集空氣，為限流閥引流，從文獻(xiàn)［5］中查得，40°為最佳限流閥開(kāi)口參數(shù)，同時(shí)，針對(duì)限流閥本身給進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流速造成的巨大損失，位于限流閥后部安裝的擴(kuò)散器，它是由有一定的錐角的一個(gè)截面積逐漸變大的經(jīng)典文氏管。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器可以有效地將限流閥造成的進(jìn)氣壓力損失降低至最小。查閱文獻(xiàn)［6］后，我們得知7°為最佳擴(kuò)散器錐角參數(shù)，長(zhǎng)度則是在總布置合理的情況下越長(zhǎng)越好，所以我們分別對(duì)相同長(zhǎng)度的6°、7°、8°錐角擴(kuò)散器進(jìn)行ANSYS分析，得到壓力與流速的變化，并作比較。邊界條件設(shè)置如下：

壓力入口：1×105Pa；

壓力出口：0Pa；

殘差設(shè)定：1×10-3。

通過(guò)對(duì)6°、7°、8°3種不同錐角條件下的限流閥擴(kuò)散器速度云圖、壓力云圖分析，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

限流閥擴(kuò)散器的判指標(biāo)是氣流量和進(jìn)氣壓力損失，過(guò)算擴(kuò)散器末端截面的空氣流量為流速乘以截面積，并比較擴(kuò)散器末端壓力。基于上述數(shù)據(jù)，吸入時(shí)壓力損失為7°時(shí)最小，最大空氣流量是7°。所以我們選擇7°為限流閥的角度流動(dòng)的穩(wěn)定性。

3.進(jìn)氣系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

3.1諧振腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)

從文獻(xiàn)［6］我們得知，進(jìn)氣諧振系統(tǒng)是利用一定長(zhǎng)度和直徑的進(jìn)氣管，并在特定轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大幅值的壓力波增加進(jìn)氣量，來(lái)提高充量系數(shù)f。圖3是我們基于亥姆霍茲諧振原理設(shè)計(jì)的球型進(jìn)氣諧振腔，如圖3所示。

式中：

f：諧振頻率；

V：諧振腔容積；

c：聲速；

F：喉口截面積；

L：喉口直徑；

Lk=0.8d；

d：進(jìn)氣管直徑。

本次優(yōu)化我們小組依據(jù)寧遠(yuǎn)車隊(duì)的原發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)諧振腔的容積做了改變，將諧振腔的直徑由原來(lái)的65cm改為60cm，并采用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，以尋找出合適的參數(shù)。

3.2進(jìn)氣歧管的粗細(xì)設(shè)計(jì)

在進(jìn)氣歧管這部分的優(yōu)化中，依據(jù)我校寧遠(yuǎn)車隊(duì)上賽季的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的粗細(xì)并依據(jù)我們通過(guò)ANSYS分析得來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)4個(gè)管的直徑進(jìn)行了修改，使其進(jìn)氣更好更均勻。原來(lái)的進(jìn)氣歧管1、4管（即外側(cè)兩管）上口徑為21cm，下口徑為20cm（圓臺(tái)形），錐度為0.008。現(xiàn)將1、4管的上口徑改為25cm，下口徑不變，錐度變化為0.04，2、3管（內(nèi)側(cè)兩管）為半徑20的圓管，錐度為0，現(xiàn)改為上口22.5，下口20（圓臺(tái)形），錐度為0.02。

4.進(jìn)氣系統(tǒng)的演變過(guò)程

4.11號(hào)模型的建立

如上述4個(gè)模型（圖4～圖7），由1到2模型的轉(zhuǎn)化，1模型未考慮到限流閥的存在，后來(lái)老師指正了我們的錯(cuò)誤并加以修改；2模型到3模型的轉(zhuǎn)化，我們小組參考了一些論文，在未考慮到實(shí)際情況的條件下誤以為諧振腔兩端的球形并不影響進(jìn)氣流量，故取消了兩旁的半球；3模型到4模型的轉(zhuǎn)化，4管進(jìn)氣管形狀由扁平狀改為圓臺(tái)，使氣流進(jìn)入諧振腔的速度更快并且將諧振腔兩端的平面重新改成了半球形，增加了進(jìn)氣流量。具體分析見(jiàn)下文。

5.進(jìn)氣系統(tǒng)匹配仿真分析

5.1優(yōu)化前后進(jìn)氣壓力參數(shù)變化

如圖8所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣壓力差距約為26.7%；如圖9所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣壓力差距約為22.2%；如圖10所示1/4歧管與2/3歧管的在進(jìn)氣壓力差距約為18.2%；如圖11所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣壓力差距約為4.7%。由文獻(xiàn)［6］可知，進(jìn)氣壓力為圖11所示的數(shù)據(jù)時(shí)，四缸的進(jìn)氣壓力分布比較均勻。

5.2優(yōu)化前后進(jìn)氣速度參數(shù)變化

如圖12所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣速度差距約為16.0%；如圖13所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣速度差距約為8.4%；如圖14所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣速度差距約為9.1%；如圖15所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣速度差距約為2.7%。由此可以看出，當(dāng)進(jìn)氣速度為圖15所示的數(shù)據(jù)時(shí)，四缸的進(jìn)氣速度分布最為均勻。運(yùn)用文獻(xiàn)［7］流體力學(xué)的進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣流量計(jì)算公式可知，qv=∫AVdA，進(jìn)氣流量與進(jìn)氣速度成正比，在斷面面積A不變的條件下，進(jìn)氣速度成正比越大，進(jìn)氣流量越大。

5.3優(yōu)化前后進(jìn)氣流量參數(shù)變化

如圖16所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣流量差距約為18.4%；如圖17所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣流量差距約為15.9%；如圖18所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣流量差距約為11.6%；如圖19所示，1/4歧管與2/3歧管的進(jìn)氣流量差距約為5.3%。由此可看出，圖19所示的參數(shù)中4個(gè)缸的進(jìn)氣流量分布最為均勻，此時(shí)的進(jìn)氣流量也最大。

5.4優(yōu)化前后進(jìn)氣矢量圖變化

如圖20和圖21所示，優(yōu)化之前4個(gè)缸的進(jìn)氣量分布并不均勻，混合氣流經(jīng)進(jìn)氣管之后分別進(jìn)入4個(gè)缸，中間2和3缸的進(jìn)氣量會(huì)比1和4缸的進(jìn)氣量要多，因此導(dǎo)致了4個(gè)缸的進(jìn)氣量分布不均勻。調(diào)整進(jìn)氣1/4歧管的錐度后，4根歧管進(jìn)氣壓力差距縮小。

5.5優(yōu)化前后進(jìn)氣流線圖變化

如圖22所示和如圖23所示，優(yōu)化之前的進(jìn)氣流線比較紊亂。用流體力學(xué)知識(shí)，在進(jìn)氣過(guò)程中，進(jìn)氣管道內(nèi)壁光滑度會(huì)影響進(jìn)氣過(guò)程中混合氣體流動(dòng)的平穩(wěn)性，管壁越粗糙，進(jìn)氣過(guò)程中的沿程損失就會(huì)越大，由于流體的黏性，會(huì)在管壁表面形成一層黏性底層厚度，當(dāng)管壁的粗糙度大于黏性底層厚度時(shí)，流體經(jīng)過(guò)管壁時(shí)會(huì)有新的渦流的不斷產(chǎn)生，造成流體的能量損失，流體的紊流程度就會(huì)加快，從而導(dǎo)致進(jìn)氣的效果不好。優(yōu)化之后，流體的紊流程度明顯減少，氣流比較平穩(wěn)，進(jìn)氣速度明顯增大，并且擾流減少，有利于進(jìn)氣。

5.6最終優(yōu)化后的進(jìn)氣壓力圖與進(jìn)氣速度圖（圖24～圖26）

由圖26比較可知，進(jìn)氣速度與進(jìn)氣流量成正比。為確保進(jìn)氣歧管四缸的進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣速度近似相等，且進(jìn)氣流量最大，由圖可知，4號(hào)模型的數(shù)據(jù)最為綜合，即為最終的進(jìn)氣系統(tǒng)模型。

6.最終進(jìn)氣系統(tǒng)模型（圖27）

結(jié)語(yǔ)

我們小組主要對(duì)我校寧遠(yuǎn)車隊(duì)新賽季賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在整個(gè)過(guò)程中，我們采用CATIA與UG來(lái)建立整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)模型，利用ANSYS軟件對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)氣壓力、速度、矢量圖和流線分別進(jìn)行了分析及比較，根據(jù)結(jié)果分析得出此次結(jié)構(gòu)與尺寸的參數(shù)變化對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的影響。本進(jìn)氣系統(tǒng)將運(yùn)用于我校車隊(duì)新賽季賽車上。

［1］中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽規(guī)則2013公示版［Z］.

［2］張欣欣，文健康，馮策，等. FSAE賽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2013，51（9），20～24.

［3］江大之星車隊(duì). 2011年“江大之星”車隊(duì)賽車設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.江蘇：江蘇大學(xué)，2011.

［4］彭才望.廣東工業(yè)大學(xué).FSAE賽車用發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣性能研究［D］.廣東工業(yè)大學(xué)，2013.

［5］洪漢池，白煜杰，鐘銘恩.廈門理工學(xué)院學(xué)報(bào)［J］. FSAE發(fā)動(dòng)機(jī)諧振進(jìn)氣系統(tǒng)仿真及設(shè)計(jì)，2012（9）：25.

［6］陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊(cè)）［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［7］張也影.流體力學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，1986.

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