FSAE赛车进气系统流场分析及优化

库亚斌

摘 要：本文研究的对象是FSAE赛车的进气系统，研究主要参考目标为学校车队的赛车进气系统。首先运用了理论分析方法查阅相关文献资料，初步建立三维模型，进行仿真分析。然后运用单一变量分析的方法，对模型各部分参数进行仿真优化，求解出进气系统各部分的最优尺寸。使用的工具是常用的三维软件CATIA。对进气系统内气体的流动过程进行分析优化所使用软件为常用的有限元分析软件ANSYS Fluent。经过分析优化得出了较为理想的FSAE赛车进气系统的流线分布图。

关键词：进气系统；流场分析；FSAE；20mm限流阀

中图分类号：U464.234 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）04-0055-06

Abstract： The object is FSAE car's intake system， the main reference target university research team racing intake system. First， the theoretical analysis method using access to relevant documents， the initial establishment of three-dimensional model， simulation analysis. Then use the method of univariate analysis of the various parts of the model parameters of simulation and optimization， solving the optimal size of the various parts of the intake system. Tool is commonly used three-dimensional software CATIA. Process flow within the intake system of the gas is analyzed to optimize the software commonly used finite element analysis software ANSYS FLUENT use. After analysis and optimization come to the ideal racing intake system FSAE streamline distribution.

Key Words： Air intake system； The flow field analysis； FSAE； 20 mm flow-limiting valves

引 言

大學生方程式汽车大赛（简称“FASE”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。比赛规定赛事所用发动机排量小于600cc，且在进气系统的进气总管处设有20mm的限流阀；同时也规定出进气顺序为：空滤—节气门—总管（内设限流阀）—稳压腔—歧管—发动机。在进气过程中，气体如果流动不均匀会对发动机进气质量产生较大影响，影响燃料使用效率。进而影响发动机发挥其各项性能乃至影响整车的性能[1]。因此，对赛车发动机的进气系统的结构进行分析和优化，提高发动机的充气效率十分重要。本文首先根据大赛对方程式赛车的规定以及文献资料，通过计算等确定了进气的各部分参数，然后利用CATIA建立进气系统的三维模型，之后利用ANSYS FLUENT进行了分析。并根据分析结果进行了优化，最后取得了比较好的效果，为今后进气系统的改进指明了方向。

1 进气系统参数确定

1.1 进气限流阀尺寸确定

大学生方程式汽车大赛要求控制进气量，主要是为了控制发动机功率，保障参赛者的安全，避免发生事故。“仿真用ANYSY Fluent软件，压力出入口压差暂定标准大气压。研究使用CBR 600RR款发动机，根据进气歧管质量流量来判断模型的优劣。大赛规定限流阀为直径不大于20mm，为了增大进气量，选择直径20mm的限流阀，又通过文献资料查询到限流阀的进口渐缩角范围为10～20°，出口扩张角范围为5～7°”[2]。本文初步确定的进口减缩角为18°，出口扩张角为6°。

1.2 进气总管长度确定

在发动机低转速时汽油机进气总管长度对性能影响较大，而高转速时作用很小。在比赛时赛车的转速通常在高转速状态下，所以对进气总管的长度要求不高。因为使用了限流阀，需要对总管用fluent软件进行分析；又由于基于方程式赛车的发动机进气系统设计是在大赛规则下的最优设计，对设计的考虑因素有满足方程式赛车的外框定义，本文进气系统设计是进气口朝上的设计，也要避免与赛车头枕的干涉[3]。所以选择进气总管长度为282mm。

1.3 稳压腔的结构参数设计

稳压腔可以给进入空气稳定的空间，让歧管进气更加均匀。稳压腔体积较大时，进气均匀度就会变得更好，对提高充气效率越有利，但是如果体积过大就会导致气门迟滞，踩下油门，加速效果也会有迟滞现象。因为我们还不能做到气门迟滞的模拟，只能使用经验值，经验值一般在2.5——3.5L[4]，本文初步确定的体积为2.8L。

1.4 进气歧管的结构参数确定

发动机的进气歧管参数对进气有很大的作用。第一，当进气歧管的长度比较短时，它的进气阻力就会相应变小，由此我们可设计进气歧管尽可能短；第二是进气歧管的动态效应，进气的过程不是瞬间完成的，是一个运动的过程，在空气流动过程中，歧管内的压力不是固定不变的，这种压力变化也会对进气效率产生影响。并不是所有的情况下，歧管变短都会有利。当发动机转速不高时，歧管长度太短也不能增加进气效率[5]。因此，在综合考虑的基础上（既要提升各工况的进气效率，又要利用好进气谐振作用，还要符合比赛要求）使歧管的长度尽量小。本学校使用是摩托高转速发动机，在比赛中转速一般在6000—11000r/min，那么它的进气歧管可以设计的短一些 [6]。

发动机的进气过程是不连续的、周期性的，每个工作循环进气一次。由于进气有着这种特性，进气歧管内会生成一种波，它会对歧管内的气体产生压力，这种压力波会在机构内传播。Helmholtz提出了进气谐振理论并验证了其准确性。利用适当大小进气歧管和一定大小稳压腔相适应，在进气过程中可以在进气歧管内产生压力波，增大歧管内压力，使进气量变多一些。

所以通过进气谐振理论让进气歧管与稳压腔组成谐振系统[9]，计算得出歧管长度在常用转速8000r/min时为为76mm。

进气歧管出口要略大于或等于气缸进口，查询气缸参数可知气缸出口直径为40mm，所以进气歧管出口直径可以为40mm或42mm。为使进气更充足，可以将进气歧管进口设定略大于进气歧管出口尺寸，初步确定为45mm。

2 进气系统模型的建立

根据以上初步确定的进气系统参数利用CATIA软件建立了三维模型。见图1：

对此三维模型进行质量流量分析见图2：

此次模拟通过质量流量分析结果图可以看出总的质量流量为0.0659kg/s。距离标准值0.070kg/s还有一段距离，其他四个进气歧管中间两个管1、2明显比两端进气歧管3、4要大很多，质量流量在四个管中并不均匀，需要进行优化。

对此三维模型进行流场分析见图3：

通过这个流场图可以看出，气体流线在稳压腔中流动没有规律，比较凌乱。在四个进气歧管中的气体流线分布也不均匀。所以需要优化进气系统的各参数。

3 进气系统优化过程

3.1 限流阀进口渐缩角的优化

由文献资料查询到的限流阀进口渐缩角取值范围为10°到20°，所以采用单一变量分析的方法，其他参数不变。因为限流阀总长度不能超过外框定义，并且节气门大小确定的，直径为28mm，所以通过调整20mm圆环与28mm的圆环距离来调整进口渐缩角，从10°开始以1°的间隔递增到20°进行仿真分析，见表1：

将分析结果画成柱状图，见图4：

根据以上的仿真结果可以看出总的质量流量随着进口渐缩角的增大先增多后减少，峰值在15°，总质量流量为0.0661kg/s流体在管中的流动符合连续性方程（同一管中截面面积与流体流速的乘积为一定值）角度太小时进气口小于节气门大小会使进气量不足，等于节气门大小事会超过大赛规则外框，角度太大时，进口气体流速变慢也会使进气量变小。所以分析对比得出适宜角度为15°，其质量流量分析结果如图5所示：

3.2 限流阀出口扩张角的优化

对于限流阀出口扩张角来说，5°到7°是它的经验值，同样采用单一变量分析，得出不同出口扩张角角度下的总质量流量结果，见表2：

将分析结果绘成柱状图，见图6：

根据以上的分析结果可以看出进气系统总的质量流量随着出口扩张角的增大先增大后减小，在7°时得到峰值0.0687kg/s虽然查阅资料得到的出口扩张角的经验值为5°到7°，但是为保证准确性，在8°时同样进行了仿真模拟，使结果更加准确。

同样，由连续性方程可知，出口扩张角角度变大导致稳压腔内气体流速变慢，不利于进气，而且出口扩张角角度变大会客观上增大稳压腔体积，可能会导致刹车迟滞现象。在出口扩张角为7°时的质量流量结果如图7：

3.3 对稳压腔进行优化

因为进气系统的四个歧管的位置是由气缸确定的，不能改变，稳压腔的长度要满足歧管位置的要求由于稳压腔经验值最大为3.5L，体积不大，所以采用腔体长度不变，改变直径大小来控制稳压腔体积的方法來进行建模分析。分析结果见表3：

分析结果柱状图见图8：

可以看出稳压腔随体积的变化，进气总质量流量先增大后减小，在3.2L时取得最大值但是总体变化不大，因为稳压腔主要影响气门迟滞。在所取经验值范围内，不会引起气门迟滞现象，所以这里不考虑。其仿真结果见图9。

3.4 进气歧管的优化

进气歧管长度由以上进气谐振公式将新的稳压腔体积带入到公式中，计算可以得出进气歧管长度近似为70mm。

由以上质量流量分析结果可以看出来，中间的1、2歧管的质量流量明显高于两端进气歧管3、4，造成四缸进气不均匀。原装发动机的四个进气歧管都是一样的，尺寸相同，因为气体流到稳压腔两边的比中间两管要少，所以需要改变两边歧管尺寸，增加歧管3和歧管4入口直径，增大进气量使四管质量流量基本相同，以1mm为间隔增加进气歧管的入口直径，中间两管入口直径为原直径45mm，而四个歧管出口直径都与原模型一样为42mm，入口直径为48mm时，四个歧管质量流量比较均匀，仿真结果见图10：

优化后的仿真结果，总的质量流量已经接近理想的0.07kg/s，并且四个进气歧管的质量流量分布均匀。

4 优化结果与结论

4.1 优化前后参数对比

本次ANSYS仿真优化分别对进气系统的进口渐缩角、出口扩张角、稳压腔体积以及进气歧管的长度和歧管进口直径进行了优化优化前后参数对比见表4：

4.2 优化前后质量流量对比

优化前后质量流量分析结果也有很大的不同，见图12、图13：

比较两张分析图可以明显看出通过计算机仿真分析和单一变量分析方法优化进气系统的各部分参数，使得进气系统总进气质量流量增加达到了0.0697kg/s，与理想值0.070kg/s的差距不大，此理想值是吉林大学实验室通过实验测量得出。四个进气歧管也由不均匀变得比较均匀，满足了发动机四缸进气均匀的要求。

4.3 优化前后进气流场分析的对比

对优化后的模型进行流场分析，见图14：

与优化前流场图3对比，可以明显看出优化后的进气系统中空气流动的比优化前的均匀，比优化前的有规律，流线在稳压腔中流动路程比优化前短提升了进气效率。在歧管中，可以看出流线数量在四个歧管中的数量基本相同，优化后的模型在质量流量方面已经基本达到了要求。

参考文献：

[1]李志丰， FSAE赛车发动机进气系统改进设计及流场特性分析[D].湖南：湖南大学， 2008：6-7.

[2]彭才望， FSAE赛车用发动机进气性能研究[D]， 广东：广东工业大学， 2013，13-20.

[3]徐鹏， 发动机进气道数值模拟与优化设计， [D]山西：中北大学， 2014， 23-27.

[4]邓召文 纪纯伟， FSG赛车进气系统CFD设计开发[J] 汽车工程师， 2013， 31-35.

[5]李鑫 熊锐， 进气歧管的管长和管径对发动机性能影响的探讨[C]广东， 广东工业大学学报， 2013， 97-100.

[6]范爱花， 基于CAD/CFD的塑料进气歧管流场分析及结构改进[D]哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2011，26-32.