基于1D和3D耦合的发动机进气歧管仿真研究

王学超　杜延义　陆国祥　王晓燕

摘 要：进气系统在很大程度上影响了发动机的动力性、经济性和排放性。前期建立了一维仿真模型，比较真实的反映了发动机的性能，但还是未能真实的反映出管道的真实结构，像一些拐角、突变区域等。进气歧管的设计校验中，虽然三维稳态和瞬态计算能够模拟各个支管的压力分布情况，但是仅用三维计算不能实时得到一维的准确边界，且计算时间太长，不能从整个发动机上模拟瞬态进气过程和谐振效应带来的进气不均匀性。因此，要在1D模型中获得更准确的瞬态边界条件来计算进气歧管的三维流动，或更进一步研究进气歧管结构形状对发动机性能的影响，来指导优化进气歧管的设计。文章以发动机1D燃烧开发软件为基础与3D流体软件相耦合来解决进气歧管设计中瞬态进气过程。关键词：进气歧管;一维-三维耦合;进气均匀性中图分类号：U464  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-90-04

Abstract： The intake system greatly affects the power， economy and emissions of the engine. One-dimensional simulation model was established in the early stage， which reflects the performance of the engine， but it still fails to reflect the true structure of the pipeline， such as some corners and abrupt areas. Although the three-dimensional steady-state and transient calculation can simulate the pressure distribution of each branch pipe in the design calibration of the intake manifold， it cannot get the accurate one-dimensional boundary in real time and fails to simulate the intake non-uniformity caused by transient intake process and resonance effect from the whole engine. At the same time， the long period of calculation in the 3D simulation is also a big issue. Therefore， more accurate transient boundary conditions should be obtained in the 1D model in order to calculate the three-dimensional flow of the intake manifold as well as the influence of intake manifold structure shape on engine performance for further optimization of intake main fold design. In this paper， the transient intake process in the intake manifold design are solved by coupling engine 1D combustion development software with 3D fluid software.Keywords： Intake manifold; 1D-3D coupling simulation; Intake uniformityCLC NO.： U464  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-90-04

前言

進气歧管连接节气门和进气道，是发动机进气系统中的重要组成部分。它影响着发动机各个气缸的进气量以及进气均匀性，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性[1-2]。目前研究进气歧管有一维仿真，也有三维仿真。单纯的一维仿真计算只能获取进气歧管的基本数据，无法获得进气歧管内部气体流动状况，而三维仿真计算也仅仅考虑到进气歧管，不能实现与其它组件的关联。

为了进一步研究进气歧管结构形状对发动机性能的影响。本文以1D与3D耦合计算的方法研究进气歧管，为进气歧管优化设计提供参考。

1 一维-三维耦合仿真模型的建立

1.1 进气歧管三维模型的建立

本文只涉及进气歧管的设计，因此只提取进气歧管相关的参数。提取创建进气歧管3D 数模所需要的参数有：进气管路的长度，进口、出口的截面积，谐振腔的容积，进气总管直径等。

从发动机三维图中建立只有进气歧管的零件，然后利用前处理软件提取内表面，修补完善内表面，生成质量好的的面网格，导出相应格式到Converge，再在Converge中设置进气歧管边界条件。

图1是进气歧管边界划分以及ID号，图2是进气歧管的面网格。

1.2 进气歧管耦合分析流程

本模型一维使用GT-Power软件，里面有个CFD_CONV ERGE_LITE模块，在该模块导入三维数模，匹配合适的参数，使进气歧管一维-三维耦合仿真得以正确的运行并得到更加准确的结果。1D-3D耦合计算在计算的流程上一方面要考虑计算的准确度，另一方面要尽量节省计算时间，因此在GT-Power建立模型的时候，对应的3D 模拟区域也需要建立起1D模型，这样可以先单独的进行1D计算得到1D收敛条件下的结果，然后将1D计算结果作为耦合计算的边界条件进行单独计算，其目的是对3D流场进行初始化，最终才是1D和3D的耦合计算，即在每一个计算步长上1D和3D都进行边界条件的交换。分析流程图如图3[3]所示。

1.3 建立进气歧管一维-三维耦合模型

1D-3D耦合计算交界面上边界条件的选取对计算收敛性和结果准确性有很大影响，有两种边界条件可以选取：压力和流量。由于在GT-Power计算中要对压力进行重新修正，因此在靠近阀门的地方比如气门、节气门处，避免使用压力边界条件，而采用流量边界条件。此时GT-Power边界为Converge边界提供速度，Converge边界为GT-Power边界提供绝对静压。

工况的选择：根据发动机的转速特性，本文选择四个工况点进行仿真计算，分别是1000rpm外特性、2000rpm外特性、4000rpm外特性及5600rpm外特性四个转速[3]。图4是GT-Power与Converge耦合模型。

1.4 耦合计算设置

1D-3D耦合计算为1D热力学模型和3D的模型共同迭代进行数值求解，既通过一维考虑了模型全局，又通过三维模型考虑了局部。

计算过程中GT-Power单独计算35个循环（15次左右就已经达到收敛）使一维计算结果达到收敛，然后自动通过耦合链接单元将流量边界条件传递给Converge模型，后进行的是GT-Power和Converge的联合计算，双方计算每一曲轴转角都相互交换数据，最终耦合计算15个循环达到完全收敛，计算完成。

2 计算结果分析

通过后处理结果，对单缸进气量进行分析，如图5所示，一维计算在第16个循环就已经收敛，一维-三维耦合在第50个循环也稳定了下来。可以看出一维-三维耦合和纯一维计算结果是有区别的，也说明了一维-三维耦合的必要性。

分别对四个气缸收敛后的单缸进气量进行统计，如表格1所示。图6用柱状图表示了不同转速下的进气不均匀性：

从表格1和图6可以看出，各转速下各缸进气不均匀性均在3%以内，符合设计要求。进气不均匀性最大为1.6%，是发生在4000rpm外特性工况。下面就以这个工况具体分析进气流动情况。

取最后一个循环看各个进气歧管出口的质量流量曲线如下图7所示。

根据4000RPM外特性这个工况的进气开启时间，四个气缸的进气门开启时间如下表2所示。

统计数据得出表3，各个气缸在进气门开启时间内，质量流量求和得出进气歧管出口的质量流量数据。

从数据可以看出，进气歧管最大不均匀性为0.54%，是第3缸连接的进气歧管，从数模上也可以看出它的出口有一些突变的位置，出口面积最小，均匀性差一些，不过也小于3%，符合设计要求。

图8到图11分别是四个缸进气时进气歧管压力变化明显的压力云图，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12到15分别是四个缸进气时进气歧管压力变化明显的速度流线图，与前面所述的压力云图在同一个曲轴转角下。可以看出可以看到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

本文以一维-三维耦合方式来对进气歧管均匀性进行评价，利用一维软件GT-POWER和三维仿真软件CONVERGE共同建立耦合模型，通过不同工况计算分析，分析一维三维数据图像得出以下结论：

（1）通过对单缸进气量随循环数的图像分析，可以得出纯一维计算和两者耦合计算有区别，说明一维模型还是有一些部分需要完善。

（2）通过对四个典型的外特性工况点分析，得出进气歧管的进气不均匀性最大为1.6%，满足≤3%的设計要求;

（3）通过对进气歧管压力场、速度场云图分析，可以看出该进气歧管压力从入口到出口逐步降低，没有压力发生突变的部位，设计合理[3];

（4）采用一维-三维耦合的的方法对发动机进气歧管进行模拟分析，可以在短时间内获得许多必须通过复杂试验才能得到的流场的详细信息，对试验具有指导意义，是发动机进气歧管设计提供一定的参考。

参考文献

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