基于Fluent的进气稳压箱仿真分析

田哲文,张楚云,蔡　思,吴帮辉,李　泽

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070；2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)



基于Fluent的进气稳压箱仿真分析

田哲文1,2,张楚云1,2,蔡思1,2,吴帮辉1,2,李泽1,2

(1.武汉理工大学 汽车工程学院，湖北 武汉 430070；2.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070)

摘要：FSC中国大学生方程式汽车大赛规则规定：为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间。由于限流阀的存在，气流经过会使得流速增大，进而产生气流波动、压力不稳而影响进气效果，为缓解此影响，需设置稳压箱。利用CATIA进行三维建模设计，利用Fluent进行仿真分析，确定体积为3.5 L的曲面形稳压箱，最后通过UDF方法仿真实际工况循环，验证了选型的合理性，达到了减少进气涡流、出口湍动能和提高充气效率、质量流量的目的，有利于提升发动机性能。

关键词：Fluent；UDF；限流阀；稳压箱

FSC中国大学生方程式汽车规则明确说明:驱动赛车的发动机必须为四冲程、排量为610 mL以下的活塞式发动机；混合动力(如使用车载储能设备驱动的电动机)是不被允许的，且为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间，并且所有发动机的进气气流都应流经该限流阀，使用汽油燃料的其直径为20.0 mm，使用E85燃料的其直径为19.0 mm[1]。

进气系统对发动机性能有着重要影响，试验证明,一个设计良好的进排气系统能够提高发动机的充气效率,从而提高发动机性能[2]。由于比赛规则对发动机进气系统限流的要求,势必会对进气过程造成负面影响，必须通过设置稳压箱来缓解该影响。因此笔者通过Fluent对稳压箱进行仿真分析,优选出更合理的稳压箱以提高发动机性能。

1稳压箱设计

稳压箱的作用是形成一个相对稳定的空间，缓解限流带来的进气负面影响，使各缸进气达到均匀，提高发动机充气效率。其中稳压箱的体积越大，进气的均匀度越高，但是体积过大将会导致加速性能迟滞[3]，影响赛车的操纵性和加速性。因此体积一般为2～4 L。

由于笔者主要对稳压箱进行仿真分析，故先通过Fluent与GT-power仿真分析软件确定了36°入口锥度和7°出口锥度的限流阀、320 mm的进气总管、40 mm的入口直径和98 mm的进气歧管。固定这些参数，再通过CATIA进行三维建模确定了体积为3 L的3种不同形式的稳压箱结构:半球形稳压箱、圆柱形稳压箱、曲面形稳压箱,其结构形式如图1所示。

图1　3种不同形式稳压箱结构

通过Fluent仿真分析确定稳压箱的形式后，根据稳压箱体积经验值2～4 L，建立体积分别为2.5 L、3.0 L、3.5 L的稳压箱，基于Fluent进行仿真对比分析，最终选出最优的稳压箱体积作为本次比赛赛车的稳压箱。

2流体动力学控制方程

流体流动遵循物理守恒定律，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，控制方程就是这些守恒定律的数学描述[4-6]。

任何流动问题都必须满足质量守恒定律。该定律可以表述为：单位时间内流体微元中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程：

(1)

式中：ρ为密度；u，v，w分别为速度矢量u在x，y，z方向的分量。

动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该定律实际上是牛顿第二定律，按照这一定律，可以导出x，y和z这3个方向的动量守恒方程：

(2)

式中：p为流体微元体上的压力；τxx，τxy，τxz分别为因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力τ的分量；Fx，Fy，Fz分别为微元体上的体力。

能量守恒定律是包含有热交换的流体系统必须满足的基本定律。该定律可表述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净通量加上体力与面力对微元体所做的功。该定律实际是热力学第一定律。以温度T为变量的能量守恒方程为：

3不同结构仿真分析

3.1评价指标

在稳压箱结构选型中，保持稳压箱体积相同的情况下，根据入口质量流量大小确定最终结构形式。入口质量流量的增大会使得更多的空气燃油混合气进入气缸，提高各个气缸的充气效率。同样大小的气缸容积，在相同的进气状态下若能吸入更多的新鲜空气，则可允许喷入更多的燃料，在同样的燃烧条件下可以获得更多的有用功[7]。

3.2边界条件设置

分析模型选用标准的κ-ε湍流模型[8]，设置进出口压差约为3 000 Pa，即入口边界条件为压力入口，压力大小为一个标准大气压，4个出口边界为压力出口，压力大小约为97 500 Pa，外壁采用壁面边界条件，壁面温度采用绝热边界条件，壁面速度采用无滑移边界条件，设置收敛误差为10-5。由于SIMPLEC算法在求解过程对速度场的处理较好，可以起到加速迭代收敛的效果，因此采用该压力速度耦合算法进行求解。

3.3入口质量流量仿真结果

通过迭代计算收敛后，经Fluent后处理3种不同形式稳压箱入口质量流量数据如表1所示。

表1　3种不同形式稳压箱入口质量流量　g/s

由表1可以看到曲面形稳压箱的进口质量流量最大，因此选用曲面形稳压箱更有利于发动机性能的发挥。

4不同体积仿真分析

4.1评价指标

在同样形式不同体积的稳压箱仿真过程中，稳压箱内速度流线涡流越少，出口湍动能就越低，使得气流顺畅，保证各缸有较大的进气质量流量且进气均匀。进气均匀对发动机性能有较大的影响，进气不均匀会导致发动机各缸工作不稳定，影响整车动力性、经济性和排放性。

4.2不同体积的曲面稳压箱

基于稳压箱体积的经验范围在2～4 L，考虑驾驶响应，选择体积分别为2.5 L、3.0 L、3.5 L的曲面形稳压箱进行发动机循环工况进气分析，由于该赛车发动机采用的是本田CBR600发动机，发动机工作循环为1-2-4-3,仿真时分别将Outlet1、Outlet2、Outlet3、Outlet4设为压力出口，同时封闭相应其他3个缸模拟进气过程，根据评价指标优选出曲面形稳压箱的体积大小。

4.3速度流线图与湍动能仿真结果

研究第1缸进气情况，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形稳压箱第1缸速度流线图如图2所示，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形稳压箱第1缸湍动能云图如图3所示。从图2可以看出，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形稳压箱通过限流阀的最大速度分别为160m/s、168 m/s、168 m/s，其中3.5 L体积稳压箱内速度流线涡流较少。从图3可知，2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形稳压箱出口处最大湍动能分别是196.9 J/kg、156.1 J/kg、138.1 J/kg，其中3.5 L稳压箱出口湍动能最小，有利气流稳定流向出口。

图2　2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形稳压箱第1缸速度流线图

图3　2.5 L、3.0 L、3.5 L曲面形稳压箱第1缸湍动能云图

4.4均匀性仿真分析结果

在Fluent后处理中得到该3种不同体积稳压箱的出口质量流量结果，如表2所示。

表2　稳压箱出口质量流量　g/s

进气均匀性可以通过式(4)计算:

(4)

式中:MFmax为4个缸中最大的进气质量流量；MFmin为4个缸最小的进气质量流量；MFaver为平均进气质量流量；E表示进气均匀性，其数值越小表明进气越均匀稳定，即发动机工作也更加平稳。3种不同体积的曲面形稳压箱进气均匀性计算结果如表3所示。

从表2可以看到3.0 L、3.5 L各缸进气质量较优，从表3可以看出，进气均匀性随着体积的增大而提高，3.5 L曲面形稳压箱的进气均匀性为0.32%，能够获得更好的进气效果，有利于提高发动机的性能。综合上述仿真分析结果，最终确定体积为3.5 L的曲面型稳压箱。

表3　稳压箱进气均匀性计算结果

5基于UDF的3.5 L曲面稳压箱仿真分析

在确定了3.5 L曲面稳压箱后，利用UDF(user defined function)用户自定义函数[9]对进气过程进行实际循环工况仿真分析，以验证选型的合理性，并为发动机台架试验提供理论依据。针对该赛车发动机常用转速8 000 r/min的实际进气循环，由于进气提前开启角和进气关闭迟后角[10]的存在，该赛车发动机进气提前开启角和进气关闭迟后角分别是21°和44°，在发动机转速为7 500 r/min的情况下，由于存在0.000 47 s的时间内两个缸气门同时开启的状况，因此编写程序通过UDF设置变压力出口边界条件进行仿真分析。0.063 5 s和0.079 5 s速度流线图如图4所示。

图4　0.063 5 s和0.079 5 s速度流线图

在一个完整进气循环过程中，各个出口质量流量如表4所示，进气均匀性如表5所示。

表4　8 000 r/min转速下各出口质量流量　g/s

表5　稳压箱进气均匀性计算结果

8 000 r/min实际进气循环工况仿真结果表明，3.5 L曲面稳压箱可以取得较好的出口质量流量和进气均匀性，验证了该选型的合理性。

6结论

通过Fluent仿真对比分析，确定了稳压箱的形式和体积，即体积为3.5 L的曲面形稳压箱，在仿真中得到每缸平均63.3 g/s的质量流量和0.32%的进气均匀性，利用UDF仿真8 000 r/min的实际进气循环，验证了选型的合理性。所选择的稳压箱降低了进气涡流和湍动能，提高了充气效率，最大限度地缓解了限流阀带来的影响，有利于提高发动机的性能。同时，利用Fluent仿真分析，为设计提供了有利的数据，避免了盲目设计，节约了时间和成本，减少了发动机台架试验次数。

参考文献：

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[3]邓召文,纪纯伟,李明泽.FSC赛车进气系统CFD设计开发[J].汽车工程师,2013(5):31-35.

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[5]王福军.计算流体力学:CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:109-135.

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[7]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社,2011:15-78.

[8]赵妍.应用Fluent对管路细部流场的数值模拟[D].大连:大连理工大学,2004.

[9]葛如海,王桃英,许栋，等.基于动网格和UDF技术的气缸动态特性研究[J].机床与液压,2010,38(21):12-15.

[10]张志沛.发动机原理[M].北京:人民交通出版社,2011:24-68.

TIAN Zhewen:Assoc.Prof.;School of Automotive Engineering,WUT,Wuhan 430070,China.

[编辑：王志全]

文章编号：2095-3852(2016)01-0119-04

文献标志码:A

收稿日期：2015-07-16.

作者简介：田哲文(1972-)，男，湖北仙桃人，武汉理工大学汽车工程学院副教授.

中图分类号：TK412

DOI：10.3963/j.issn.2095-3852.2016.01.026

Simulation Analysis of Intake Stabilizing Chamber Based on Fluent

TIAN Zhewen， ZHANG Chuyun， CAI Si， WU Banghui， LI Ze

Abstract：The rules of FSC formula student China competition,to limit engine power,an internal cross section for the circular flow-limiting valve must be installed between the throttle and the engine air intake system.Due to the existence of the flow-limiting valve,the air through its will increases velocity,to alleviate the fluctuation of airflow and pressure is not stable that will effect of intake.So that set up a stabilizing chamber to guarantee the stability of pressure.The 3D model design by using CATIA software,the use of Fluent software for simulation analysis,to determinate volume of 3.5L surface stabilizing chamber,finally simulating the actual working condition by UDF method to verify the rationality of the model selection.Success decrease the intake vortex,turbulence kinetic energy and improve the charging efficiency,mass flow,finally benefit engine performance.

Key words：fluent；UDF；flow-limiting valve；stabilizing chamber