某发动机进气歧管CFD分析

穆芳影，张超，王宏大，王军，雷蕾

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)



某发动机进气歧管CFD分析

穆芳影，张超，王宏大，王军，雷蕾

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230601)

在发动机的开发过程中，需要评估其进气歧管结构是否能够满足进气均匀性的评价标准。利用CFD软件，通过对某发动机进气歧管进行稳态分析，计算得到各缸的质量流量、流量系数及流量系数差异性。结果表明：该发动机进气歧管的流量系数差异性在评价标准范围内，满足进气歧管进气均匀性要求。在发动机进气歧管开发过程中，CFD分析可以大大减少产品开发周期、降低试验和人工成本。

进气歧管；进气均匀性；CFD分析

0　引言

发动机进气系统的作用是尽可能多和均匀地向各个气缸供应新鲜的空气[1-2]。进气歧管是发动机进气系统的重要组成部分，其作用是将新鲜的空气分配到各个气缸对应的缸盖进气道[3]。进气歧管性能的好坏直接影响发动机进气量的大小，进而影响发动机的动力性和经济性[4-5]。在发动机的设计开发过程中，必须对进气歧管的进气均匀性进行分析，确保其满足一定的评价标准[6]。

文中分析的对象是某发动机的进气歧管。模拟得到各进气支管出口的质量流量、流量系数及流量系数差异性，并且得到其压力分布图和流动迹线分布图。根据这些结果评价进气歧管性能的好坏。CFD分析在发动机进气歧管设计中发挥了越来越大的作用[7-8]。

1　模型建立

1.1数模

图1为文中分析的进气歧管结构。新鲜空气从进气歧管入口进入稳压腔，然后经各进气支管流动到进气歧管出口。4个气缸对应的进气歧管出口分别为BC_1、BC_2、BC_3、BC_4。由于不考虑废气，所以废气管入口设为壁面。

1.2网格划分

对进气歧管模型进行体网格划分，见图2。体网格总数约为30万，其中大部分为六面体网格。

考虑到壁面附近的边界层影响，在壁面上生成一层边界层网格。为了避免在模型的进、出口边界面出现回流情况，在进、出口面处各拉伸20层左右的网格。

1.3求解器参数

由于在进气歧管中流动的介质为新鲜空气，空气流动速度不是很高，计算中假设流动是不可压缩的。采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。假设空气为理想气体，湍流模型为k-z-f方程，使用混合壁面函数描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求计算结果残差值小于0.000 1。

1.4计算工况及边界条件

文中是稳态计算，工况为一个进气歧管支管打开，其他3个进气歧管支管关闭。总共计算了4个工况，分别见表1。

表1　计算工况

文中计算的边界条件：入口设置为总压，出口设置为静压。

2　计算结果分析

2.1评价标准

(1)进气歧管各出口的流量系数是否均匀通常是评价进气均匀性的常用方法。一般要求4个进气支管的流量系数差异性控制在5%以内。

(2)流量系数计算公式如下所示：

其中:mth为理论流量(kg/h);R为气体常数(287.14kJ/kg);T为温度(K);p为入口压力(Pa);p0为出口压力(Pa);Aref为支管截面面积(m2);ψ为流量因子(-);κ为绝热指数(一般为1.41);mcalc为计算得到的质量流量(kg/h);α为流量系数(-)。

2.2计算结果

(1)质量流量、流量系数及流量系数差异性

表2为进气歧管各支管出口的计算结果，包括质量流量、流量系数及流量系数差异性。进气支管1～4对应的质量流量分别为218、221、225、211kg/h。

表2　计算结果

进气支管1～4对应的流量系数分别为0.770 0、0.768 0、0.778 6、0.726 4。流量系数最大正偏差出现在进气支管3，其值为2.34%。流量系数最大负偏差出现在进气支管4，其值为-4.51%。支管4的流量系数最小是因为进气歧管前的弯管导流作用，空气进入稳压腔后形成一个漩涡，它与支管4方向相反。但是该进气歧管流量系数最大正偏差和负偏差均在评价标准范围内。

(2)压力分布和速度分布

图3为进气歧管各工况下的压力分布图。可以看出压力从入口到出口逐步降低，没有压力发生突变的部位。

图4为进气歧管各工况下的速度迹线图。可以看出：气体从进气歧管入口进入后，在稳压腔内部和支管的流动情况。空气在稳压腔内形成漩涡，随后流向出口位置。

3　结论

通过对某发动机进气歧管进行CFD分析，得到以下结论：

(1)该发动机进气歧管流量系数差异性在评价标准范围内，满足进气歧管进气均匀性要求；

(2)在发动机进气歧管设计开发过程中，CFD分析可以大大减少产品开发周期、降低试验和人工成本。

【1】陈家瑞.汽车构造(上册)[M].北京：机械工业出版社，2009：190-193.

【2】周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1996:82-86.

【3】钱多德，姚炜.汽油机排气歧管内流场CFD模拟[J].内燃机与动力装置，2010(5)：30-32.

【4】叶明辉，黄露,帅石金,等.基于一维、三维及耦合模型的汽油机进气系统优化[J].车用发动机，2007，169(3)：44-49.

【5】陈征，张波,尧命发,等.基于数值模拟的排气歧管优化策略[J].内燃机工程，2009,30(3)：51-56.

【6】黄泽好，张浩亮，孙章栋.某发动机排气歧管流场分析与结构优化[J].西南大学学报：自然科学版,2011(1):153-157.

【7】李湘华，张小蛟.柴油机排气歧管流场分析与结构优化[J].柴油机，2006(4):25-30.

【8】王晗，蔡忆昔，毛笑平.发动机进气系统不均匀性的三维数值模拟[J].小型内燃机与摩托车，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，学士，工程师，研究方向为发动机设计。E-mail:563420286@qq.com。