进气歧管气道流场CFD分析及优化

黄英铭，黄初华，刘卓(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

进气歧管气道流场CFD分析及优化

黄英铭，黄初华，刘卓
(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

进气歧管的气道结构直接影响发动机各缸进气量和进气均匀性，因此合理的气道结构是保证发动机性能得以实现的基础。通过三维CFD仿真计算展现进气歧管气道内部微观流场分布，以此为基础指导气道结构优化设计，以实现降低进气压损、增加进气量和保证各缸进气均匀性的目的。

进气歧管；气道结构；流场；结构优化

0 引言

进气歧管作为发动机的主要性能零件之一，其主要作用是为发动机运行提供均匀、稳定的进气量，保证各缸进气的均匀性。发动机各缸的最大进气量是保证发动机最大功率得以实现的前提，均匀性差，会产生扭矩输出不稳定、发动机振动大、排放增加等问题[1]。合理地设计进气歧管气道结构，不仅可以降低进气压损，增加进气量，还可以保证各缸进气的均匀性。因此，进气歧管气道结构设计是保证发动机动力性、经济性、可靠性和排放特性的一项关键技术[2]。

通过三维CFD仿真软件STAR CCM+，从微观上展现进气歧管内部流场分布，并以此为基础指导进气歧管气道结构优化设计，以实现降低进气压损、增加进气量和提高进气均匀性的目的[3]。与传统设计方法相比，CAD和CFD相结合的设计方法，能有效减少前期样件试制和试验，缩短设计开发周期，降低开发成本，更为重要的是提高设计精度[4]。

1 进气歧管三维CFD仿真分析概述

进气歧管气道CFD仿真计算，可以通过数值模拟，展现歧管气道内部的微观流场分布，避免局部流速过高、气流分离以及限制涡流等不良流动现象，同时评估进气歧管进气阻力和各缸进气的均匀性，为气道结构优化提供三维流场分布和数据基础。

在进气歧管气道三维CFD仿真的过程中，常规的计算方法是只计算进气歧管的气道结构对进气流场分布的影响。事实上进气歧管前、后的气道也都会对进气歧管流场分布产生一定的影响(如图1所示)，因此，在进行进气歧管CFD仿真计算的过程中，为增加真实性，建议同时考虑节气门及缸盖气道对进气歧管流动性能的影响。

文中进行进气歧管气道稳态流动仿真计算，每缸气道单独计算，评估流场分布、进气压损、质量流量及各缸进气均匀性等，以此评价进气歧管气道结构并为气道结构优化提供依据。

2 某进气歧管稳态流场CFD仿真计算流程

进气歧管稳态CFD模拟分析流程图[4]如图2所示。

2.1 气道CAD数据

进气歧管气道结构三维构建，并联合节气门和缸盖气道一同导出STL格式文件。为减少网格数量和计算时间，在每缸气道计算的过程中，可将其他气道切除，如图3所示。

2.2 生成网格

采用STAR-CCM+软件生成Polyhedral Mesh网格，如图4所示，网格数25万。

2.3 模型选择

此次计算采用三维稳态，湍流模型采用RANS模型中的realizable K-Epsilon Two-Layer模型，激活能量方程，设置流体(工质)属性。

2.4 初始条件设置

以出口压力和温度作为环境压力初始值。

2.5 边界条件设置

进气歧管稳态仿真计算边界条件设置有以下两种方法：

(1) 入口定质量流量，计算各缸进出口压差。

入口边界：选择质量流量入口，并设置流量、温度。

出口边界：选择压力出口，并设置压力和温度。

壁面边界：采用无滑移壁面边界，绝热状态。

优点：能更敏感地展示气道结构优化对进气压损和压损均匀性的影响。

(2) 定进出口压差，计算各缸质量流量。

入口边界：选择压力入口，并设置压力、温度。

出口边界、壁面边界与方法一一致。

优点：更接近实际动行工况，展现实际各缸进气量和进气均匀性。

综上，在进气歧管气道开发的过程中，作者建议先采用方法一进行气道结构优化设计，得到较优的压损和压损均匀性后，再由方法二进行最终的评价。

2.6 求解松弛因子设定

关于松弛因子的设定，可按表1进行设置，其他采用默认值即可。

表1 松弛因子值

2.7 迭代次数及残差

采用second upwind差分格式和SIMPLE算法。最大迭代步可根据收敛情况而定，此例定为2 000步。收敛准则结合自定义出口流量或压力检测值等来判断。

2.8 输出结果设置

设置检测面(如图3)，以监测气道不同部分的压力损失；设置压力、流线显示等，以展现进气歧管微观流场分布。

2.9 评价计算结果

评价气道内部流场分布、压力损失或质量流量以及流动均匀性等。若不满足要求，重新返回步骤(1)进行气道结构优化；若满足要求，则可进行后续工作。

3 仿真结果及结构优化

以第一方法边界条件进行计算，原进气歧管气道仿真结果如图5—7所示：进气歧管气道内气流流线和速度分布较为合理，各缸气道无分离和涡流现象，但进气总管至稳压腔的过渡较大，稳压腔内有较大的涡流生成，各缸压损均匀性较差。

根据仿真结果，对进气歧管气道进行优化，主要是：加大进气总管与稳压腔的过渡倒角，采用变截面稳压腔结构，切除部分稳压腔，以及各缸气道与稳压腔接口处采用不等倒圆角结构,如图8所示。

如图9所示，对比优化前后流线分布，优化后的进气总管与稳压腔的过渡有改善，稳压腔内的流动改善尤其明显，稳压腔内的涡流被有效地限制。

如图10、图11所示，优化后的进气压损和各缸流动的均匀性都有明显的提高。其中进气压损平均下降5%，进气压损均匀性由±12%大幅度下降为±5%。

以优化后的气道，进行第二方法边界边条件输入计算。各缸气道质量流量仿真结果如图12所示，均匀性±1%以内，满足均匀性要求[5]。

结合流场分布和压损值，可以判断该进气歧管气道满足发动机各缸进气量和进气均匀性的要求，该进气歧管气道结构满足性能要求，可冻结气道结构。

4 试验验证

以冻结后的进气歧管气道结构为基础，推进进气歧管初步工艺设计，并开展快速样件试制，以搭载发动机进行热力学开发试验。如图13所示，进气歧管样件搭载在发动机上进行试验验证。

试验结果表明:文中开发的进气歧管气道结构满足某发动机最大功率、扭矩及各缸进气均匀性的要求，该进气歧管气道结构满足设计目标，可进行后续的模具数据设计及试制。

5 总结

在进行某发动机进气歧管气道结构设计的过程中，作者有效地运用CFD仿真软件展现进气歧管内部微观流场分布，并以此为基础进行气道结构优化设计。结果显示：优化后的进气歧管能有效地引导进气流场分布、减小进气过渡时突变、限制涡流的产生，达到降低进气压损和提高进气均匀性的目的。通过样件试制及台架试验验证，表明该进气歧管达到发动机各缸所需的进气量和进气均匀性的要求，保证发动机性能目标得以实现。

【1】 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.

【2】 许元默,帅石金,王建昕.电喷汽油机进气歧管CAD/CFD设计[J].汽车工程,2002,24(4):314-317.

【3】 帅石金,王志,王建昕.发动机CAD/CFD虚拟设计技术[J].汽车工程,2006,26(5):581-584.

【4】 黄键,李世仲,黄剑峰.发动机进气歧管的发展及CFD技术的应用[J].海峡科学,2010(12):128-130.

【5】 崔怡,高莹,李君,等.进气歧管结构对进气均匀性影响的仿真研究[J].小型内燃机与摩托车,2009,38(2):37-40.

Flow Field Investigation and Optimization of Intake Manifold Runner by CFD Method

HUANG Yingming,HUANG Chuhua,LIU Zhuo
(GAC Automotive Engineering Research Institute，Guangzhou Guangdong 511434，China)

The runner structure of intake manifold has significant influence on intake mass flow and intake uniformity.Reasonable design of runner structure is very important to make sure that the target of engine performance can realize.The flow field inside the runner of intake manifold was calculated and shown by CFD approach.The optimization of the runner was then carried out to reduce the pressure loss，increase the intake mass flow and ensure better intake uniformity.

Intake manifold；Runner structure；Flow field；Structure optimization

2013-11-25

黄英铭(1985—)，工学硕士，工程师，研究方向为发动机零部件设计。E-mail:huangyingming@gaei.cn。