基于模型耦合仿真的FSC赛车发动机进气系统设计

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)

·新能源汽车与低碳运输·

基于模型耦合仿真的FSC赛车发动机进气系统设计

韩伟强, 赵万东, 冷松蓬, 李 鑫

(西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039)

FSC赛事对发动机的动力性有较高要求，而规则中要求对进气加装限流阀，导致充气效率大大下降，针对这一问题，需要重新优化设计发动机进气系统，使其最大效率地提高动力性能。本文采用GT-POWER软件建立LD450发动机一维模型，对不同谐振腔容积和歧管长度以及引流腔容积进行仿真分析，得出最佳一维进气系统参数，并使用ANSYS-FLUENT软件，以GT-POWER软件后处理作为FLUENT边界条件进行耦合仿真，以出口总压最大为筛选条件，选出最佳的进气系统。实验结果表明，利用模型优化出口压力来提高FSC赛车性能的方法，能使改进后的进气系统在一定程度上提高发动机的动力性能，解决了赛车因安装限流阀而产生的发动机功率损失。

FSC方程式赛车；GT-POWER软件；CFD；进气系统；谐振腔

FSC赛事是一项由高等院校汽车工程和汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在1年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异性能的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。FSC2014规则[1]中要求发动机排量小于610 mL；因此各院校选取不同的发动机来满足整个赛事的需求，且随着赛事的举办，较多的院校选择了单缸机，如厦门理工学院、哈尔滨工业大学(威海)等，并对进气系统进行了全新设计。洪汉池等[2]通过黄龙JH600发动机在满足方程式赛车规则下利用正交实验结合GT-POWER对谐振进气系统进行匹配计算，从而确定了进气系统的一维参数；但是缺少对进气系统进行更加细致的三维模型的建模和优化以及三维流体仿真分析。在本届赛事中，根据总布置的需求，选择了亚翔LD450单缸发动机。由于2014FSC规则[1]要求在节气门之后对气流进行20 mm限流，发动机功率和转矩都受到了很大的损失。利用谐振进气可以有效地提高发动机在一定转速范围内的充量系数，以解决因安装限流阀而导致的转矩和功率的损失[3-6]。本文以亚翔LD450发动机为研究对象，通过GT-POWER软件和ANSYS-FLUENT软件进行耦合仿真设计，以发动机的动力性能为参考，结合实验数据，最终确定整个进气系统的三维模型。

1 进气系统模型的建立

1.1一维仿真模型的建立

本次使用GT-POWER软件，改变pipe的一维参数，建立起引流腔、限流阀、谐振腔、进气歧管、进气道等，并通过多个pipe之间的连接建立起进气系统的一维参数，气门升程、气缸几何尺寸等从厂家那里获取，燃烧模型采用weibo燃烧模型，环境压力为0.101 325 MPa，其余参数按照厂家给出及说明书上得出。排气系统在满足总布置情况下，对三维模型使用GEM3D进行离散化，得到一维模型，再导入到GT-POWER中，在节气门全开下对发动机进行仿真。在建立一维模型后对发动机GT-POWER模型进行验证(通过搭建LD-450发动机台架实验进行验证，原理图见图1，台架实验图见图2)，发动机在工作过程中出现的峰值转矩以及最大功率仿真数据与实验数据误差在5%以内(数据记录见图3)，因此一维模型较准确(见图4)。

图1 LD450台架实验验证以及进气系统初期实验验证原理图

图2 LD450台架实验验证以及进气系统初期实验验证实物图

图3 仿真数据与实验数据

图4 LD450 GT-POWER一维模型

1.2三维流体仿真模型的建立

在一维参数确定后，需进行三维模型的确定。本次进气模型空气经过引流腔、节气门、限流阀、谐振腔，最后在歧管处进行油气混合进入气缸。一维模型参数由GT-POWER得出，最后模型见图5。为了能准确仿真整个进气系统的流场情况，本文选取引流腔处为入口边界条件，发动机进气道处为出口边界条件[5]。三维模型通过CAD软件转化为STP、STEP等导入到前处理软件ANSYS ICEM CFD进行分区网格划分。网格质量的好坏直接决定CFD仿真的准确性；因此，使用其六面体网格生成block块方法，对各个part进行网格大小的控制，并调整网格节点之间的比例，生成边界层。block块见图6，网格质量良好。网格质量检查见图7，输出网格，单元总数为80万5 321，导入FLUENT中作前处理。

A：引流腔； B：节气门 ；C：限流阀； D：谐振腔； E：进气歧管。

图6 block块

图7 网格质量检查

2 仿真方案以及边界条件的确定

2.1一维仿真方案

GT-POWER仿真过程中，FSC赛事规则[1]要求整个进气系统不能超出整车的外框，必须安装在外框内(外框定义为从防滚架顶部到4个轮胎的外缘如图8所示)，且考虑不能与悬架干涉；因此，歧管长度有限。为了考虑赛车在加速上的响应，谐振腔的容积不能过大，同时还考虑车手头部对气流的影响，因此，本次仿真过程分为2个过程：过程1，在谐振腔容积为2 L的情况下改变歧管长度从100 mm到550 mm进行仿真分析，确定歧管长度的一维参数；过程2，在歧管一维参数确定后，改变谐振腔的容积从0到3 L的情况下进行仿真分析，确定谐振腔容积。

图8 外框定义

2.2三维仿真方案的确定

FSC赛车在比赛规则[1]中，耐久赛300分占了很大比例。比赛中弯道很多，为了提高出弯速度，高转矩是关键，所以发动机多以6 500 r/min左右作为常用工况；因此，本次分析以发动机6 500 r/min下出口压力作为边界条件，满足GT-POWER得出的一维参数的情况下对谐振腔进行优化。谐振腔的三维形状方案1、2、3分别为导弹状、圆筒状以及水滴状，模型如图9所示。

图9 谐振腔不同方案模型

2.3三维CFD求解设置和边界条件

三维CFD求解是基于守恒方程的求解，也即是N-S方程、动量方程、动能方程和连续性方程的求解过程。由于进气马赫数小于0.5，气体设置为不可压缩，求解过程选择K-ε方程，其中K为湍动能，ε为湍动耗散率[7-8]。在选取三维CFD仿真分析算法时，由于发动机工作过程是瞬态变化的，边界条件一直处于波动状态，为了使瞬态过程计算更加易于收敛，本文采用FLUENT的PISO算法。其基于对压力场的校正将会更加的精确，使求解过程更易达到理想的残差值。步长设置为51 280 ns，计算360步。由于进出口边界条件一直处于波动状态，准确地获取边界条件直接决定仿真的精确度；因此本文与GT-POWER软件直接进行耦合仿真，与直接加载边界条件相比更加精确。在FLUENT中设置边界条件，采用GT-POWER计算结果的1D-COUPLING，在FLUENT开始计算时会自动读取GT-P0WER的计算结果，获得出口的压力值。湍流强度为0.05，水力直径为入口直径[7]。壁面边界条件采用壁面函数处理，温度默认，初始化为0。

3 仿真结果与分析

3.1 GT-POWER仿真结果

GT-POWER仿真过程1和过程2在不同转速下的转矩、功率变化(由GT-POST软件得出)如图10、图11所示。

图10 有谐振腔歧管长度从100 到550 mm的转矩、功率变化曲线

图11 谐振腔容积从0到3 L的转矩、功率变化曲线

3.2 GT-POWER仿真结果

由图10可得，在谐振腔容积不变的情况下，随着歧管长度的加长，最大转矩从30.751 N·m增加到34.621 N·m，有11.178%的提升，且最高转矩点向低转速移动；因此，歧管的长度对转矩有很大的影响，但是随着歧管长度增加到500 mm后，最大转矩不再上升，反而有下降的趋势。从转速上看：发动机转速在小于4 000 r/min时歧管长度对转矩没有太大的影响；发动机转速为6 000 r/min左右时出现峰值转矩；发动机转速大于7 500 r/min，歧管长度大于400 mm时，发动机的转矩急剧下降，且歧管长度越大于400 mm，下降越明显；发动机转速高于7 000 r/min后发动机功率随着歧管长度加长，功率下降越明显，当长度到达550 mm、发动机转速在9 000 r/min时下降到23.921 kW，下降了16.672%。这充分验证了谐振原理，随歧管长度的加长，最高转矩点向低转速移动，以及高转速要求短的进气歧管。考虑到赛车发动机在高转速下仍然有较好的转矩，因此歧管长度不能过长，本次赛车发动机歧管长度选择为450 mm。

由图11可知，谐振腔对发动机转速在高于4 000 r/min时有很大的影响，特别在6 500 r/min时转矩差值达到10.23 N·m，与没有安装谐振腔相比有40.25%的提升，可见谐振腔对发动机的充量系数有很大的提升。同时，当发动机转速高于4 500 r/min时，无谐振腔对发动机功率有很大的损失，最大差值达到8.232 kW，在9 000 r/min时下降了35.10%；但是，谐振腔容积在增大到一定范围时，对转矩的提升效果越来越小：因此考虑到进气系统在赛车中的布置空间有限，以及赛车手在踩油门时的响应快慢，谐振腔的容积不能过大，最后得出本次赛车的谐振腔容积为2 L。

3.3 CFD仿真结果

发动机在6 500 r/min下的速度矢量图如图12所示，出口总压如图13所示。

图12 进气系统速度矢量图

图13 出口总压

3.4 CFD仿真结果

根据图12得出在同样的工况，发动机转速6 500 r/min条件下，随着进气门的升程增加，进气流速逐渐上升，并在限流阀处达到最大值，分别为133.0、147.5、170.0 m/s,且速度小于0.5马赫数；因此，求解设置为可不压缩，出口总压也逐渐上升，并达到最大值。方案1和方案2在引流腔处出现较大的湍流，在限流阀后端也出现一定程度的湍流，而方案3在整个进气过程中流线较平缓，且湍流强度较小。根据图13得出，方案3在进气终了时出口总压高于方案1和方案2，与方案1相比在进气终了时总压有2.34%的提升， 与方案2相比有4.28%的提升。在实际循环过程中，当发动机工作转速在6 500 r/min附近的时候，在进气过程中，由于活塞的吸入作用，在进气门入口处形成的负压波，经歧管到达大气边界，反射回一波形相反的正压波。同时，谐振腔的气体也会受到负压波的扰动，然后传至上游再反射回来。当该缸下次进气产生的波与进气系统残余的波动相位吻合，各波合成效果为正压波时，则有利于后续进气，从而在6 500 r/min附近时，可以提高气缸的充气量，充量系数也会提高。这说明在同样的工况下方案2在谐振效果上更好，对发动机在进气系统安装限流阀下功率、转矩损失也相对较小。因此，最终选取本届发动机进气方案2(即圆筒状)为最佳方案。

4 结论

本文通过一维软件到三维软件的耦合仿真，完成了整个系统的优化设计，确定了进气系统的三维模型，并满足了整个赛事的动力需求。

1)单缸机可以通过谐振进气有效地在一定RPM范围内提高发动机的动力性能，且歧管越长，峰值转矩向低转速移动；

2)通过对进气系统的CFD优化仿真，可以有效地对局部流动阻力进行优化，以减小进气系统的流动阻力，从而可以提高进气系统出口压力，最终表现为工作循环的进气终了压力；

3)不同的工况下可以通过歧管长度二级可变或多级可变，来满足低转速或高转速的动力性需求，即高转速要短的进气歧管，反之更有利于低转速；

4)由于时间的限制，CFD分析没有进行加速工况的仿真优化，建议在设计FSC赛车进气系统时使用瞬态工况来优化设计，且结合台架实验来进行验证。

[1]李理光. 2014 中国大学生方程式汽车大赛[EB/OL].[2015-03-10-].http://www.formulastudent.com.cn/uploadfile/ftp/2014%20guize.pdf.

[2]洪汉池，白煜杰，钟铭恩. FSAE赛车发动机谐振进气系统仿真及设计[J].厦门理工学院学报，2012，20(3)：29-33.

[3]周龙保. 内燃机学[M]. 北京：机械工业出版社，2013：59-65.

[4]余国核，阎祥安，冯淑杰，等. 进气谐振对单缸发动机动力性影响的试验研究[J].四川大学学报.：工程科学版，2007，39(3)： 166-169.

[5]许俊．基于进气限流下的FSAE 赛车发动机进气系统优化设计与仿真研究[D]．成都：西华大学，2012．

[6]谭建伟，葛蕴珊，毕晔，等. 基于一维/三维模型耦合仿真进气谐振器设计[J]. 汽车工程，2007，29(10)：859-864.

[7]罗惕乾. 流体力学[M]. 北京：机械工业出版社，2013：171-203.

[8]许建民, 戴腾清, 刘金武.基于CFD的轿车外流场数值模拟[J].西华大学学报:自然科学版，2010，29(6).46-48.

(编校：夏书林)

DesignofFSCRacingCar’sEngineIntakeSystemBasedonModelsCouplingSimulation

HAN Wei-qiang, ZHAO Wan-dong, LENG Song-peng, LI Xin

(SchoolofAutomobileandTransportation,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

FSC events have higher requirement for the engine power performance. However, a flow-limiting valve is required to use according to the rules. This results in a great decreasing in volumetric efficiency. In order to improve the engine performance, the intake system needs better optimization. The one-dimensional model of a LD450 Engine is established with GT-POWER software, and the result of simulation is matched with the experimental data with the error of 5%. According to the simulating analysis on the different plenum volume length of manifold and drainage cavity volume, the optimum parameters of one-dimensional air intake system are obtained. Moreover, by coupling the ANSYS - FLUENT and GT-POWER, and taking the results of the GT-POWER as the Boundary conditions, we selected the best intake system model to meet the highest total pressure. The experimental results show that the method, which using models to optimize the outlet pressure to improve the performance of the FSC racing, makes it possible to enhance the engine power performance by adopting the improved intake system, and engine power loss, caused by the installation flow-limiting valve, is eliminated.

FSC racing；GT-POWER；CFD；intake system；plenum

2015-04-03

四川省教育厅项目(14ZB0128)；流体及动力机械省部共建教育部重点实验室学术成果培育项目(SBZDPY-11-19)。

韩伟强(1985—)，男，讲师，博士，主要研究方向为内燃机清洁燃烧技术。

TK44

：A

：1673-159X(2015)06-0006-06

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.06.002