基于star-ccm+进气歧管的稳态CFD分析*

李 军, 武 磊, 向 璐

(重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074)

基于star-ccm+进气歧管的稳态CFD分析*

李 军*, 武 磊, 向 璐

(重庆交通大学 机电与汽车工程学院，重庆 400074)

发动机进气歧管的结构直接影响着发动机各缸的质量流量及其均匀性，通过使用star ccm+对中间进气和侧面进气两种不同结构的进气歧管的质量流量及均匀度进行稳态CFD分析，并找出影响缸内气体流动的因素，对结构进行了优化，使得进气歧管稳态流通性能提升.

进气歧管；CFD分析；发动机

发动机进气系统的性能好坏直接影响到缸内混合气的形成，而进气歧管与进气道的结构是影响发动机进气性能的两个重要因素.进气歧管是发动机进气系统最重要的组件之一，其进气均匀性将影响发动机缸内空气充量大小和进气涡流强度，造

表1 发动机主要参数

成各缸燃烧过程的差异，从而降低发动机工作的可靠性.因此，通过CFD分析获取进气歧管内的详细流场信息成为发动机设计过程中的一个重要步骤[1].

本文研究的对象是某1.6 L自然吸气发动机的两种不同结构的进气歧管：方案一为中间进气，方案二为侧面进气，通过使用star-ccm+对各缸进气流量的均匀性和歧管内部的流动情况进行稳态分析.发动机主要参数如表1所示.

1 三维模型

利用PRO/E绘制出进气歧管的三维图形，分别建立其进气歧管两种布置设计情况.方案一是中间进气，如图1所示；方案二是侧面进气，如图2所示.

2 数值模拟

2.1 计算网格

将绘制的三维模型导入Hyper-mesh软件生成三角形面网格，把面网格导入star ccm+，利用star- ccm+生成多面体网格.多面体网格具有6面体网格的精度且兼具4面体网格的易生成性，所以在star ccm+中生成的多面体网格具有比四面体网格更好的收敛性和更小的网络依赖性，可以极大地降低对硬件资源的要求和计算时间[2].

2.2 计算模型

本文中进气歧管的流动计算所采用的湍流模型为RANS算法中的Realizablek-εTwo-Layer Model，模型中的系数采用默认值.壁面函数采用Two-Layer Ally+ Wall Treatment，固壁面采用无滑移边界条件，离散格式采用的是2nd Order (二阶迎风格式)，计算工况为一个缸打开，其他三个缸关闭.因此总共将计算四个工况情况，分别为以第一至第四缸打开时，其余缸关闭的四种不同工况.

2.3 边界条件

进气系统入口边界条件设置为进口总压100 kPa，出口边界条件为出口静压97.5 kPa，进气的空气密度1.225 kg/m3.

3 结果分析

3.1 压力分析

图3和图4中的a、b、c、d分别表示方案一和方案二各缸的总压分布图.

通过对图3和图4的对比可得，无论是方案一还是方案二，各缸的压力变化都不大，表明进气歧管的进口位置对压力的影响较小.

3.2 速度分析

图5和图6中的a、b、c、d分别表示方案一和方案二各缸的速度分布图.

通过对图5和图6的对比可得，无论是方案一还是方案二，各缸的速度分布变化都不大，表明进气歧管的进口位置对气流速度的影响较小.

图7为方案一各缸速度切片图，从图中可得进气歧管入口采用方案一时气体由进气管进入谐振腔后，会撞击左侧的谐振腔壁面，并且在谐振腔的右侧存在流动的死区，导致进气的稳定性受到影响，因此，需要对谐振腔进行优化，其具体优化方案详细内容见本文3.5改进措施.

3.3 各缸气流流线分布

当进气歧管入口设置于中间时，进气气流经过进气管进入谐振腔，会撞击左侧的谐振腔壁面(如图8所示)，并在谐振腔两侧形成涡流漩涡，其后再进入各个缸.在方案一第一缸开启其余缸关闭的工况下，系统流线分布如图8所示.其余各缸开启时进气气流同样会经进气管进入谐振腔，同样会对谐振腔左侧壁面产生撞击，并在谐振腔两侧形成一定的涡流漩涡，其表现结果完全一致，因此对其余三缸的流线分布不予以重复分析，不在此列举出来.

当采用方案二时，进气气流经侧面进气管进入谐振腔，气流也会撞击谐振腔左侧，但此时撞击的左侧壁面与方案一速度切片图撞击的左侧壁面不是同一个壁面，同样会形成一定的涡流漩涡，其进入歧管的流线分布如图9所示.图9为方案二第一缸开启时的流线分布图.

3.4 均匀性分析

发动机各缸进气的不均匀度为σmax.

(1)

式中：Qmax为分支歧管最大出口质量流量(kg/s)；Qm为分支歧管平均质量流量(kg/s).

方案一和方案二两种情况下各歧管出口的质量流量、不均匀度、流量系数如表2所示.out1、out2、out3、out4分别表示发动机各缸.

表2 计算结果

由表2可知，方案一各缸的质量流量均小于方案二时的质量流量，但方案一进气的最大不均匀度为0.26%，而方案二进气的最大不均匀度为1.16%，同时，在相同工况下，方案一的不均匀度均小于方案二时的不均匀度.说明方案二的质量流量较高，方案一的不均匀度较低.

3.5 改进措施

目前，该款发动机采用的进气方案均为方案一，而如表2中分析的数据显示，采用方案一时其质量流量比方案二的质量流量小，但其不均匀度均小于方案二.因此我们可以采用改进方案一的结构参数，以增大该方案的质量流量.

本文针对该发动机的改进措施有以下两种：

(1) 由图5、图6分析可知，当采用方案一时第一缸与谐振腔连接处、第二缸和第三缸会在拐弯处出现局部的高速区.故可以增大该缸与谐振处的倒角角度(如图10黑色弧线所示)以及拐弯处的曲率半径，降低进气气流在连接处的速度，提高各气缸质量流量.

(2) 由图7各缸速度切片分析可知，气体由中间进气口的进气管进入谐振腔后，会撞击左侧的谐振腔壁面，并且在谐振腔的右侧形成一定的涡流流动死区，因此，在进气道及其型腔的设计中需进行一定的改进，以解决这个问题.具体优化方案如下：

I．方案二的优化措施如图11所示，将谐振腔修改为与进管垂直，在节气门口位置结构由于受到其他结构限制而不能更改的情况下，可采用该方案.

II．方案一优化措施如图12所示，将入口修改为与谐振腔垂直的进气方式，同时进一步优化，切除右面谐振腔，以减少右侧谐振腔产生涡动流动死区的问题.

本文将优化后的方案一进行进气计算，计算结果如图13所示.从图13中，我们可以明显看出，入口垂直于谐振腔后，气流在谐振腔内的流动情况得到明显改善.

优化后其质量流量得到提高，改进后的质量流量为190.8 kg/h，大于方案一原方案的187.7 kg/h，同时也大于方案二原方案的188.2 kg/h,故改进后可以得到性能更优的进气结构.

4 结 论

通过对两种不同进气结构的歧管进行数值模拟，我们可得以下结论：

(1) 采用方案一和方案二时，各缸气体的压力分布和流动速度均无太大的差别，方案一气体的质量流量略小于方案二，但其不均匀度优于方案二.

(2) 方案一会在第一缸与谐振腔连接处、第二缸和第三缸拐弯处出现局部高速区，方案二会在第三缸拐弯处出现局部高速区，这些都会影响缸内气体的流动，减少其质量流量.

(3) 通过把入口优化垂直于谐振腔，并增大连接处倒角和拐弯处半径，优化后的进气歧管的质量流量大于原方案一和原方案二时的质量流量.

[1] 郭伟. 发动机进气系统的 CFD 分析及实验研究[D]. 黑龙江:哈尔滨工业大学, 2012.

[2] 郑百林. STAR-CCM + 使用技巧[J]. 计算机辅助工程, 2010, 19(2):98-99.

[3] 苏晓燕，刘云卿，冯晓娟，等． 三缸增压汽油机进气歧管设计与优化[J].小型内燃机与摩托车，2013，42(4):54-58．

[4] LUTHER N J. An experimental in vestigation of the flow over the rear end of a notchback automobile configuration[J]. SAE SP, 2007：17-24.

[5] FRANCIS M, KIM S E. Advances in external-aero simulation of ground vehicles using the steady RANS equations[J]. SAE SP, 2005：18-24.

[6] 姬芬竹，谷可帅. 汽油机进气歧管流通性和均匀性数值模拟[J]. 北京航空航天大学学报, 2014，40(2):154-159.

[7] 胡景彦, 苏圣, 洪进. 某缸内直喷发动机进气歧管CFD模拟分析[J]. 液压气动与密封, 2012(9):25-28.

[8] 黄泽好, 杨超, 黄一桃,等. 发动机进气歧管流场的数值分析[J]. 机械设计与制造, 2012(2):156-158.

[9] UGUR K. Study on design of inlet and exhaust system of a stationaryinternal combustion engine[J].Energy Conversion and Management，2005(46)：2 258-2 287.

[10] 崔怡, 高莹, 李君,等. 进气歧管结构对进气不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.

[11] ANJA T，GARETH F，CHRIS M. A CFD study of fuel evaporation andrelated thermo-fluid dynamics in the inlet manifold，port and cylinder of the CFR octane engine[J].SAE International Journal of Fuels and Lubricants，2012(3) : 1 264-1 276.

责任编辑：龙顺潮

Based on star-ccm+ Steady CFD Analysis of the Intake Manifold

LIJun*,WULei,XIANGLu

(School of Mechatronics & Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074 China)

The structure of the engine intake pipe of each cylinder of the engine directly affects the mass flow rate and uniformity. The intermediate intake manifold and side intake manifold’ pressure profile、air flow rate and streamline distribution was analyzed by star ccm+，and find to the factors that effect the flow of gas in cylinder，optimization of intake structure is conducted. The steady-state flow performance of intake manifold is improved.

intake manifold；CFD analysis；engine

2015-02-15

国家自然科学基金项目(51305472)；重庆市自然科学基金重点项目(CSTC2013yykfB0184)

李军(1964— ),男，重庆人，教授.E-mail:cqleejun@sina.com

TH16，U463

A

1000-5900(2015)02-0097-05