基于ANSYS的FSAE赛车发动机进气系统仿真分析

2018-05-28朱布博孙少杰

汽车实用技术 2018年9期

朱布博，孙少杰

（陕西交通职业技术学院，陕西西安 710018）

前言

中国大学生方程式赛车大赛要求参赛学生依照大赛规则设计并制造一辆方程式赛车，比赛规则对发动机的排量和进气系统做出了规定和限制，本文简要介绍发动机进气系统设计情况，利用ANSYS中的FLUENT模块对其进行稳态与瞬态模拟，优化参数和结构，以增大与平衡发动机各缸进气量。

1 限流阀仿真分析

大赛设置限流阀的主要目的在于限制发动机功率，因此，应尽量降低限流阀对气流的阻碍，增大进气量，提高发动机功率。本文建立不同入口、出口尺寸限流阀的三维模型，用ANSYS进行流体仿真并对比分析，观察其流量、压强等参数[1]。限流阀结构如图1所示。

图1 限流阀结构

1.1 有限元模型

限流阀入口控制尺寸为直径与锥角，在这一过程的损失主要来自摩擦阻力，为了减小摩擦，应该尽量选取较小的锥角。并设定限流阀入口处的锥角为φ，入口直径为D。

出口控制尺寸为长度和出口锥角，由于长度和出口直径是成正比关系的，故仿真时使用出口直径计算。这一过程气流流速逐渐减小，压力回升，回升率的大小决定性能好坏，并且对进气量的影响程度大于入口尺寸。定义锥面之间的夹角为θ，出口直径为d。

1.2 有限元分析

（1）湍流方程与边界条件

FLUENT中用的较多的湍流模型有雷诺兹压力模型、Spalart-Allmaras模型，大型艾迪仿真模型、标准RNG模型、标准Realizable k-ε模型等。本文选用标准k-ε湍流模型[2]。

计算区域的边界包括进出口边界和固体壁面两种：

①进出口边界。进口边界条件和出口边界条件为别设为1atm和0.98atm；湍流强度为5%，湍流粘度比为0.5。②固壁边界。固壁边界为壁面，速度选取无滑移[3]。（2）限流阀形状分析

不同形状限流阀出口处空气流量如表1与表2所示。

表1 不同入口形状限流阀出口流量分析结果

表2 不同出口形状限流阀出口流量分析结果

从表1可以看出，入口锥角角度、入口直径越小流量越大，但总体变化不明显；从表2得出，当出口直径固定不变时，如果取较大的出口锥角，则出口长度会随之减小，导致气体流量减小；当出口锥角固定不变时，如果取较大的出口直径，出口长度也会随之增大，从而导致气体流量增大，将两个表格进行对照可以发现，限流阀出口形状对流量的影响比入口程度大。

2 集气室仿真优化

FSAE大赛发展至今，发动机进气系的设计样式已经存在很多种，其主要区别表现在集气室上。多缸发动机中各缸进气的不均匀性，会导致各缸空燃比的不同，从而使各缸燃烧过程产生差异[4]。本文对两种不同形状集气室的进气系统进行瞬态分析，对比其进气不均匀性和气流流动情况。

2.1 进气系统模型

利用CATIA进行建模，得到了如图2所示的两种进气系统的三维模型，两种进气系统集气室形状不同，二者各有优点，左侧的进气系统采用圆筒形的集气室，这种进气系统形状简单，制造难度小；而右侧进气系统的集气室形状为曲面的，这种进气系统最大的优点是流线型好，气体流动阻力小。建立模型时，两种进气系统的集气室体积均为1L。