CFD分析在某发动机进气歧管设计中的应用

刘俊，张超，马勇，常耀红，喻春凤

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022)

CFD分析在某发动机进气歧管设计中的应用

刘俊，张超，马勇，常耀红，喻春凤

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022)

摘要：以某发动机的进气歧管为分析对象，模拟得出各进气支管的质量流量、流量系数及它们的偏差，并且得到其压力分布图和流动迹线分布图，根据这些结果可评价进气歧管性能的好坏。在发动机进气歧管开发过程中，利用CFD分析可大大缩短产品开发周期、降低试验和人工成本。

关键词：CFD分析；进气歧管

0　引言

发动机进气系统的作用是尽可能多和均匀地向各个气缸供应新鲜的空气。进气歧管是发动机进气系统的重要组成部分，其作用是将新鲜的空气分配到各个气缸对应的缸盖进气道。进气歧管性能的好坏直接影响发动机进气量的大小，进而影响发动机的动力性和经济性。在发动机的设计开发过程中，必须对进气歧管的进气均匀性进行分析，确保其满足一定的评价标准。

文中分析的对象是某发动机的进气歧管，模拟得出各进气支管的质量流量、流量系数及它们的偏差，并且得到其压力分布图和流动迹线分布图，从这些结果中评价进气歧管性能的好坏。CFD分析在发动机进气歧管设计中发挥了越来越大的作用。

1　模型建立

1.1数模

图1为文中分析的进气歧管结构。

新鲜空气从进气歧管入口进入稳压腔，然后经各进气支管流动到进气歧管出口。

1.2网格划分

对进气歧管模型进行体网格划分，见图2。体网格总数约为25万，其中大部分为六面体网格。为了给进出口位置指定边界条件，在进气歧管进出口处分别设置selection。进气歧管入口为BC_inlet，各进气支管对应出口分别为Cylinder1～4。

考虑到壁面附近的边界层影响，在壁面上生成一层边界层网格。为了避免在模型的进出口边界面出现回流情况，在进出口面处各拉伸30层左右的网格。

1.3求解器参数

由于在进气歧管中流动的介质为新鲜空气，计算中假设流动是不可压缩的。采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。假设空气为理想气体，湍流模型为k-ξ-f方程，使用混合壁面函数描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y+值在11～200之间。残差小于0.000 1。

1.4计算工况及边界条件

文中计算的工况为1个进气歧管支管打开，其他3个进气歧管支管关闭。总共计算了4个工况，见表1。

文中计算的边界条件：入口指定总压边界，出口指定静压边界。

2　计算结果分析

2.1评价标准

(1)4个进气支管的质量流量是否均匀通常是评价进气均匀性的常用方法。一般要求4个进气支管的流量最大最小偏差控制在5%以内。

(2)流量系数计算公式如下所示：

其中：mth为理论流量(kg/h)；R为气体常数(287.14 kJ/kg)；T为温度(K)；p为出口压力(Pa)；p0为出口压力(Pa)；Aref为面积(m2)；Ψ为流量因子(-)；κ为绝热指数(1.41)；mcalc为计算质量流量(kg/h)；α为流量系数(-)。

一般要求进气歧管流量系数最大最小偏差在±2.5%内。

2.2计算结果

(1)质量流量、流量系数及它们的偏差

表2为进气歧管各支管各项参数的计算结果，包括质量流量、质量流量偏差、流量系数、流量系数偏差。

进气支管一至支管四对应的质量流量分别为0.090 49、0.091 73、0.092 88、0.090 9 kg/s。质量流量最大正偏差出现在进气支管3，其值为1.51%。质量流量最大负偏差出现在进气支管1，其值为-1.1%。该进气歧管质量流量最大最小偏差值为2.61%，在评价标准范围内。

进气支管一至支管四对应的流量系数分别为0.824 3、0.835 6、0.846 1、0.828 0。与质量流量趋势一致，流量系数最大正偏差出现在进气支管三，其值为1.51%。流量系数最大负偏差出现在进气支管一，其值为-1.1%。该进气歧管流量系数最大正偏差和负偏差均在评价标准范围内。

(2)压力分布和速度分布

由于篇幅有限，文中只列出质量流量偏差和流量系数偏差最大正偏差和最大负偏差对应的进气支管一和三。图3为对应的进气歧管压力分布图。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4为进气支管一和三的速度迹线图。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　结束语

通过对某发动机进气歧管进行CFD分析，得到以下结论：

(1)该发动机进气歧管质量流量偏差和流量系数偏差均在各自评价标准范围内，满足进气歧管进气均匀性要求；

(2)在发动机进气歧管设计开发过程中，CFD分析可以大大减少产品开发周期、降低试验和人工成本。

Application of CFD Analysis in the Design of the Intake Manifold

LIU Jun, ZHANG Chao, MA Yong, CHANG Yaohong, YU Chunfeng

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230022,China)

Abstract:The intake manifold of one engine was taken as analysis object. The mass flow，the flow coefficient and the difference of them were obtained through simulation, also the pressure distribution and the flow streaming distribution were obtained. The performance of the intake manifold was evaluated according to these results. In the development process of the intake manifold, the cycle of the product development, the cost of the test and manpower were reduced greatly by CFD analysis.

Keywords:CFD analysis; Intake manifold

收稿日期：2014-12-05

作者简介：刘俊(1985—)，男，学士，助理工程师，研究方向为内燃机设计。E-mail：563420286@qq.com。

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