FSAE賽車發動機進氣系統流場特性分析

劉敏章，彭才望，肖林峰，胡敏

（湖南農業大學，湖南 長沙 410128）

FSAE賽車發動機進氣系統流場特性分析

劉敏章，彭才望，肖林峰，胡敏

（湖南農業大學，湖南 長沙 410128）

∶FSAE賽車發動機進氣系統結構參數影響充氣效率。基于UG建立FSAE賽車發動機進氣系統模型，利用軟件FLUENT對進氣系統模型進行流場仿真，分析進氣系統流場壓力、速度等參數分布規律，得到進氣系統空氣流量和進氣歧管出口速度，從而為FSAE賽車用發動機設計和改進提供理論依據。

∶FSAE；進氣系統；流場分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.020

CLC NO.: U463.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-52-04

引言

FSAE賽車發動機所有進氣必須通過截面為圓形且直徑為20mm的限流閥，該限流閥安裝在發動機節氣門與進氣門之間[1]。本文在質量守恒、動量守恒和能量守恒等流體力學控制方程基礎上，采用三維湍流模型中的標準模型。根據進氣系統主要結構對進氣性能影響規律，設計進氣限流閥、諧振腔、進氣管結構參數，然后利用三維軟件UG建立FSAE賽車用發動機進氣系統三維模型[2]。最后，通過ANSYS軟件中的FLUENT對進氣系統模型進行流場分析，根據分析結果為FSAE賽車發動機進氣系統優化提供理論依據。

1、進氣系統三維模型建立及網格劃分

圖1進氣系統三維模型Fig.1　Geometry of the air intake system

圖2 進氣系統網格　Fig.2　Finite volume of　air intake system

基于UG建立FSAE賽車用發動機進氣系統模型，該模型包括進氣管、限流閥、諧振腔以及進氣歧管等，如圖1所示，將簡化后進氣系統模型導入ANSYS軟件中，劃分網格產生四面體或六面體。因模型邊界層處的梯度變化很大，為精確地描述，將邊界處網格進行細分。最后形成有243181個單元數，546314個面，79277個節點和1個分區，其網格劃分模型如圖2所示。

2、進氣流場特性計算分析

本文以進口處的空氣質量流量為邊界條件。因氣體的可壓縮性比液體大得多，因而將其當作可壓縮流體處理，且流體運動形態為湍流，采用標準κ-ζ模型。為便于比較，改進前后設置一致的邊界條件和初始條件：進口邊界：采用質量流量進口邊界條件。該發動機為自然吸氣式且入口空氣溫度是在常溫下進行的，進口溫度設為26℃，入口邊界為310kg/h，不涉及換熱過程，因此只模擬其流動性能。出口邊界：采用壓力出口邊界條件。出口壓力設為一個大氣壓，為101325Pa，出口溫度為26℃。壁面邊界：采用無滑移條件，溫度設為26℃[3][4]。

3、進氣流場特性結果分析

根據FSAE大賽規則，為更好地模擬FSAE賽車用發動機進氣系統內部的流體動態情況，本文采用兩種方式進行模擬仿真分析：進氣總管進口處就是進口邊界，各進氣歧管進口邊界采用流量進口方式，各進氣歧管出口處即為出口邊界，采用壓力出口方式。分析的主要目標參數是速度與壓力，因采用自然吸氣方式，且在常溫下進行，溫度因素影響很小，分析計算中暫不考慮。

在模擬進氣系統內氣體流動時分為如圖3所示這四種情況分析，在測定某一進氣歧管時，將讓氣體從進氣總管經由諧振腔流至這一歧管。

圖3　各進氣歧管網格圖Fig.3　Finite volume model of pip inlet

圖4　各進氣歧管截面處1的流速云圖Fig.4　Velocity graph of intake section 1

從圖4所示流速云圖可見，進氣截面1位置的各進氣歧管和諧振腔一端出現的流速梯度較大，造成了較大的進氣流動損失。其中，諧振腔內部進氣流速非常低，出現流速為0的部分，而進氣歧管內部的空氣流速大約是在50m/s左右。

圖5　截面1處不同進氣歧管的流速跡線圖Fig.5　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 1

圖6　截面2處不同進氣歧管流速云圖Fig.6　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 2

從圖5進氣截面位置1處跡線圖可以分析內部空氣的具體流動情況，由所得跡線圖可得，出現明顯的旋渦現象，造成了比較大的空氣流動損失。

根據圖6所示的進氣截面處2位置可以看到進氣總管和諧振腔內部的流速梯度較大，諧振腔外圍流速也幾乎為0。另外，根據理論充氣量估算，設置進口條件為143.6m/s，當進氣截面積縮小時，在進氣限流閥處達到最大流速為324m/s左右。

圖7　進氣截面處2位置的靜壓云圖Fig.7　Static pressure of intake section 2

從圖7中進氣截面處2靜壓云圖可見，整個進氣系統中在限流閥位置處壓力最小，因為外界空氣在進入進氣總管后，進氣阻力隨著進氣截面面積減小不斷增大，到進氣限流閥時達到最大值。但當空氣流過限流閥后，因為流通截面增大，壓力回升。結合上圖6的流速云圖可見，在進氣限流器處的流速達到最大，與總壓等于靜壓與動壓之和有很好的一致性。

圖8　截面3處各歧管流速云圖Fig.8　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 3

圖9　進氣截面處1位置的進氣流場圖Fig.9　the flow field characteristic of intake section 1

從圖8所示的進氣截面處位置3得到的流速云圖可見，進氣總管與諧振腔連接部分的上方流速變化梯度較大，進氣波動流動損失較大，影響進氣流動的平衡性。

從圖9進氣截面處1位置的流速云圖可見，進氣流速梯度較大，在進氣歧管出口處的流速為在12m/s左右，與進口設置的143.6m/s相比較，進氣流動流速損失較大；從進氣截面處1位置靜壓云圖可見，出現了負壓情況，因為在FLUENT分析中，絕對壓力等于表壓與操作壓力之和，而操作壓力默認為一個大氣壓，因此絕對壓力小于一個大氣壓，出現了較大的壓力損失。

從圖9所示進氣截面處1的流速矢量圖可見，出現了旋渦現象，造成進氣流動損失。

圖10　進氣截面2處進氣流場圖Fig.10　the flow field characteristic of intake section 2

圖11　進氣截面3處進氣流場圖Fig.11　the flow field characteristic of intake section 3

從圖10進氣截面處2位置流速云圖流速矢量圖分析可見，進氣總管內部流速梯度較大；從進氣截面處2位置靜壓云圖出現了負壓的情況，此處絕對壓力略小于一個大氣壓，出現了較大的進氣壓力流動損失。

從圖11所示進氣截面處3位置的流速云圖、靜壓云圖和流速矢量云圖可見，進氣總管與諧振腔連接部分上方流速變化梯度較大，出現了較大的進氣壓力損失。

圖12　進氣截面處4位置圖Fig.12　Intake section 4

圖13 進氣截面處4位置的流速云圖Fig.13　Velocity graph of intake section 4

當FSAE賽車用發動機進氣歧管同時進氣時，進氣截面處4位置的網格劃分及截面位置如圖12所示，進氣截面處4位置條件下進氣歧管內部的流速云圖如圖13所示。由圖13所示進氣截面處4位置的流速云圖可見，流速主要集中于進氣歧管壁邊緣而非進氣歧管的正中間，這非常不利于FSAE賽車用發動機工作時進氣。

整個進氣系統的跡線圖如圖14所示，從整個進氣系統的跡線圖可見，內部出現了很大的旋渦，造成了進氣較大的流動損失。

圖14　進氣系統跡線圖Fig.14　The tracking chart of air intake system

邊界流量分析報告生成，如圖15所示。

圖15　邊界流量報告圖Fig.15　Figure boundary traffic report

從圖15所示邊界流量報告中可看出進口(inlet)的質量流量為0.086110018kg/s，這個數值為設置進口邊界條件，而4個進氣歧管出口(outlet1、2、3、4)的質量流量分別為-0.018204169kg/s、-0.02630374kg/s、-0.022405764kg/s、-0.019196276kg/s，因為FLUENT默認當流體從外界流入內部時數值為正，相反地，當流體從內部流出到外界時則為負，所以該負值表示流體是從內部向外流出，符合要求。圖15中的流量總和顯示為6.8917871e-08kg/s，即為0.0000000 68917871kg/s，符合質量守恒定律。

4、結論

為實現FSAE賽車在低速時發動機具有較高的轉矩，以滿足賽車的起步加速性能需求；高速時要求發動機具有較大的大功率，以滿足最高車速的需求。本文基于UG建立進氣系統的模型，通過FLUENT軟件對FSAE進氣系統模型進行流場仿真分析，研究速度場、溫度場和靜壓場，為FSAE賽車發動機進氣系統改進提供理論依據，結果表明：

（1）高速流速區較集中在進氣管壁緣處，諧振腔內部和歧管出口處的流速較低，各處的速度損失較大；

（2）低壓區較較多多，壓力損失較大；

（3）出口處的質量流量分布不均勻。

[1] 江大之星車隊.江蘇大學2011年"江大之星"車隊賽車設計報告[R].江蘇:江蘇大學,2011.

[2] 李志豐.FSAE進氣系統改進設計及流場特性分析[D].長沙:湖南大學,2008.

[3] 蔣德明.內燃機中的氣流流動[M].北京:機械工業出版社,1986.

[4] 顧宏中.內燃機中的氣體流動及數值分析[M].北京:國防工業出版社,1985.

Fluid simulation and analysis for FSAE air intake systems

Liu Minzhang, Peng Caiwang, Xiao Linfeng, Hu Min
(Hunan Agricultural University, Hunan, Changsha 410128)

Absract: The structural parameter of FSAE engine has significant effect on charging efficiency.The UG software is used to established the intake system model. Flow characteristic in intake system of engine was simulated by FLUENT software.Mass flow pressure and flow velocity of intake system of engine were get and compared. The method provides technological reference for the design of FSAE engine intake system.

FSAE; Air intake system; The flow field analysis

∶U463.3

∶A

∶1671-7988(2016)09-52-04

劉敏章，就讀于湖南農業大學，專業機械設計制造及自動化。彭才望，就職于湖南農業大學。講師。