FSAE赛车发动机进气系统流场特性分析

刘敏章，彭才望，肖林峰，胡敏

（湖南农业大学，湖南 长沙 410128）

FSAE赛车发动机进气系统流场特性分析

刘敏章，彭才望，肖林峰，胡敏

（湖南农业大学，湖南 长沙 410128）

∶FSAE赛车发动机进气系统结构参数影响充气效率。基于UG建立FSAE赛车发动机进气系统模型，利用软件FLUENT对进气系统模型进行流场仿真，分析进气系统流场压力、速度等参数分布规律，得到进气系统空气流量和进气歧管出口速度，从而为FSAE赛车用发动机设计和改进提供理论依据。

∶FSAE；进气系统；流场分析

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.09.020

CLC NO.: U463.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)09-52-04

引言

FSAE赛车发动机所有进气必须通过截面为圆形且直径为20mm的限流阀，该限流阀安装在发动机节气门与进气门之间[1]。本文在质量守恒、动量守恒和能量守恒等流体力学控制方程基础上，采用三维湍流模型中的标准模型。根据进气系统主要结构对进气性能影响规律，设计进气限流阀、谐振腔、进气管结构参数，然后利用三维软件UG建立FSAE赛车用发动机进气系统三维模型[2]。最后，通过ANSYS软件中的FLUENT对进气系统模型进行流场分析，根据分析结果为FSAE赛车发动机进气系统优化提供理论依据。

1、进气系统三维模型建立及网格划分

图1进气系统三维模型Fig.1　Geometry of the air intake system

图2 进气系统网格　Fig.2　Finite volume of　air intake system

基于UG建立FSAE赛车用发动机进气系统模型，该模型包括进气管、限流阀、谐振腔以及进气歧管等，如图1所示，将简化后进气系统模型导入ANSYS软件中，划分网格产生四面体或六面体。因模型边界层处的梯度变化很大，为精确地描述，将边界处网格进行细分。最后形成有243181个单元数，546314个面，79277个节点和1个分区，其网格划分模型如图2所示。

2、进气流场特性计算分析

本文以进口处的空气质量流量为边界条件。因气体的可压缩性比液体大得多，因而将其当作可压缩流体处理，且流体运动形态为湍流，采用标准κ-ζ模型。为便于比较，改进前后设置一致的边界条件和初始条件：进口边界：采用质量流量进口边界条件。该发动机为自然吸气式且入口空气温度是在常温下进行的，进口温度设为26℃，入口边界为310kg/h，不涉及换热过程，因此只模拟其流动性能。出口边界：采用压力出口边界条件。出口压力设为一个大气压，为101325Pa，出口温度为26℃。壁面边界：采用无滑移条件，温度设为26℃[3][4]。

3、进气流场特性结果分析

根据FSAE大赛规则，为更好地模拟FSAE赛车用发动机进气系统内部的流体动态情况，本文采用两种方式进行模拟仿真分析：进气总管进口处就是进口边界，各进气歧管进口边界采用流量进口方式，各进气歧管出口处即为出口边界，采用压力出口方式。分析的主要目标参数是速度与压力，因采用自然吸气方式，且在常温下进行，温度因素影响很小，分析计算中暂不考虑。

在模拟进气系统内气体流动时分为如图3所示这四种情况分析，在测定某一进气歧管时，将让气体从进气总管经由谐振腔流至这一歧管。

图3　各进气歧管网格图Fig.3　Finite volume model of pip inlet

图4　各进气歧管截面处1的流速云图Fig.4　Velocity graph of intake section 1

从图4所示流速云图可见，进气截面1位置的各进气歧管和谐振腔一端出现的流速梯度较大，造成了较大的进气流动损失。其中，谐振腔内部进气流速非常低，出现流速为0的部分，而进气歧管内部的空气流速大约是在50m/s左右。

图5　截面1处不同进气歧管的流速迹线图Fig.5　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 1

图6　截面2处不同进气歧管流速云图Fig.6　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 2

从图5进气截面位置1处迹线图可以分析内部空气的具体流动情况，由所得迹线图可得，出现明显的旋涡现象，造成了比较大的空气流动损失。

根据图6所示的进气截面处2位置可以看到进气总管和谐振腔内部的流速梯度较大，谐振腔外围流速也几乎为0。另外，根据理论充气量估算，设置进口条件为143.6m/s，当进气截面积缩小时，在进气限流阀处达到最大流速为324m/s左右。

图7　进气截面处2位置的静压云图Fig.7　Static pressure of intake section 2

从图7中进气截面处2静压云图可见，整个进气系统中在限流阀位置处压力最小，因为外界空气在进入进气总管后，进气阻力随着进气截面面积减小不断增大，到进气限流阀时达到最大值。但当空气流过限流阀后，因为流通截面增大，压力回升。结合上图6的流速云图可见，在进气限流器处的流速达到最大，与总压等于静压与动压之和有很好的一致性。

图8　截面3处各歧管流速云图Fig.8　The velocity tracking graph of different intake inlet in section 3

图9　进气截面处1位置的进气流场图Fig.9　the flow field characteristic of intake section 1

从图8所示的进气截面处位置3得到的流速云图可见，进气总管与谐振腔连接部分的上方流速变化梯度较大，进气波动流动损失较大，影响进气流动的平衡性。

从图9进气截面处1位置的流速云图可见，进气流速梯度较大，在进气歧管出口处的流速为在12m/s左右，与进口设置的143.6m/s相比较，进气流动流速损失较大；从进气截面处1位置静压云图可见，出现了负压情况，因为在FLUENT分析中，绝对压力等于表压与操作压力之和，而操作压力默认为一个大气压，因此绝对压力小于一个大气压，出现了较大的压力损失。

从图9所示进气截面处1的流速矢量图可见，出现了旋涡现象，造成进气流动损失。

图10　进气截面2处进气流场图Fig.10　the flow field characteristic of intake section 2

图11　进气截面3处进气流场图Fig.11　the flow field characteristic of intake section 3

从图10进气截面处2位置流速云图流速矢量图分析可见，进气总管内部流速梯度较大；从进气截面处2位置静压云图出现了负压的情况，此处绝对压力略小于一个大气压，出现了较大的进气压力流动损失。

从图11所示进气截面处3位置的流速云图、静压云图和流速矢量云图可见，进气总管与谐振腔连接部分上方流速变化梯度较大，出现了较大的进气压力损失。

图12　进气截面处4位置图Fig.12　Intake section 4

图13 进气截面处4位置的流速云图Fig.13　Velocity graph of intake section 4

当FSAE赛车用发动机进气歧管同时进气时，进气截面处4位置的网格划分及截面位置如图12所示，进气截面处4位置条件下进气歧管内部的流速云图如图13所示。由图13所示进气截面处4位置的流速云图可见，流速主要集中于进气歧管壁边缘而非进气歧管的正中间，这非常不利于FSAE赛车用发动机工作时进气。

整个进气系统的迹线图如图14所示，从整个进气系统的迹线图可见，内部出现了很大的旋涡，造成了进气较大的流动损失。

图14　进气系统迹线图Fig.14　The tracking chart of air intake system

边界流量分析报告生成，如图15所示。

图15　边界流量报告图Fig.15　Figure boundary traffic report

从图15所示边界流量报告中可看出进口(inlet)的质量流量为0.086110018kg/s，这个数值为设置进口边界条件，而4个进气歧管出口(outlet1、2、3、4)的质量流量分别为-0.018204169kg/s、-0.02630374kg/s、-0.022405764kg/s、-0.019196276kg/s，因为FLUENT默认当流体从外界流入内部时数值为正，相反地，当流体从内部流出到外界时则为负，所以该负值表示流体是从内部向外流出，符合要求。图15中的流量总和显示为6.8917871e-08kg/s，即为0.0000000 68917871kg/s，符合质量守恒定律。

4、结论

为实现FSAE赛车在低速时发动机具有较高的转矩，以满足赛车的起步加速性能需求；高速时要求发动机具有较大的大功率，以满足最高车速的需求。本文基于UG建立进气系统的模型，通过FLUENT软件对FSAE进气系统模型进行流场仿真分析，研究速度场、温度场和静压场，为FSAE赛车发动机进气系统改进提供理论依据，结果表明：

（1）高速流速区较集中在进气管壁缘处，谐振腔内部和歧管出口处的流速较低，各处的速度损失较大；

（2）低压区较较多多，压力损失较大；

（3）出口处的质量流量分布不均匀。

[1] 江大之星车队.江苏大学2011年"江大之星"车队赛车设计报告[R].江苏:江苏大学,2011.

[2] 李志丰.FSAE进气系统改进设计及流场特性分析[D].长沙:湖南大学,2008.

[3] 蒋德明.内燃机中的气流流动[M].北京:机械工业出版社,1986.

[4] 顾宏中.内燃机中的气体流动及数值分析[M].北京:国防工业出版社,1985.

Fluid simulation and analysis for FSAE air intake systems

Liu Minzhang, Peng Caiwang, Xiao Linfeng, Hu Min
(Hunan Agricultural University, Hunan, Changsha 410128)

Absract: The structural parameter of FSAE engine has significant effect on charging efficiency.The UG software is used to established the intake system model. Flow characteristic in intake system of engine was simulated by FLUENT software.Mass flow pressure and flow velocity of intake system of engine were get and compared. The method provides technological reference for the design of FSAE engine intake system.

FSAE; Air intake system; The flow field analysis

∶U463.3

∶A

∶1671-7988(2016)09-52-04

刘敏章，就读于湖南农业大学，专业机械设计制造及自动化。彭才望，就职于湖南农业大学。讲师。