FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)流場分析及優(yōu)化

庫亞斌

摘 要：本文研究的對象是FSAE賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)，研究主要參考目標(biāo)為學(xué)校車隊的賽車進(jìn)氣系統(tǒng)。首先運用了理論分析方法查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，初步建立三維模型，進(jìn)行仿真分析。然后運用單一變量分析的方法，對模型各部分參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，求解出進(jìn)氣系統(tǒng)各部分的最優(yōu)尺寸。使用的工具是常用的三維軟件CATIA。對進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)氣體的流動過程進(jìn)行分析優(yōu)化所使用軟件為常用的有限元分析軟件ANSYS Fluent。經(jīng)過分析優(yōu)化得出了較為理想的FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的流線分布圖。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣系統(tǒng)；流場分析；FSAE；20mm限流閥

中圖分類號：U464.234 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“FASE”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。比賽規(guī)定賽事所用發(fā)動機排量小于600cc，且在進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣總管處設(shè)有20mm的限流閥；同時也規(guī)定出進(jìn)氣順序為：空濾—節(jié)氣門—總管（內(nèi)設(shè)限流閥）—穩(wěn)壓腔—歧管—發(fā)動機。在進(jìn)氣過程中，氣體如果流動不均勻會對發(fā)動機進(jìn)氣質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，影響燃料使用效率。進(jìn)而影響發(fā)動機發(fā)揮其各項性能乃至影響整車的性能[1]。因此，對賽車發(fā)動機的進(jìn)氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，提高發(fā)動機的充氣效率十分重要。本文首先根據(jù)大賽對方程式賽車的規(guī)定以及文獻(xiàn)資料，通過計算等確定了進(jìn)氣的各部分參數(shù)，然后利用CATIA建立進(jìn)氣系統(tǒng)的三維模型，之后利用ANSYS FLUENT進(jìn)行了分析。并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，最后取得了比較好的效果，為今后進(jìn)氣系統(tǒng)的改進(jìn)指明了方向。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)確定

1.1 進(jìn)氣限流閥尺寸確定

大學(xué)生方程式汽車大賽要求控制進(jìn)氣量，主要是為了控制發(fā)動機功率，保障參賽者的安全，避免發(fā)生事故。“仿真用ANYSY Fluent軟件，壓力出入口壓差暫定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。研究使用CBR 600RR款發(fā)動機，根據(jù)進(jìn)氣歧管質(zhì)量流量來判斷模型的優(yōu)劣。大賽規(guī)定限流閥為直徑不大于20mm，為了增大進(jìn)氣量，選擇直徑20mm的限流閥，又通過文獻(xiàn)資料查詢到限流閥的進(jìn)口漸縮角范圍為10～20°，出口擴張角范圍為5～7°”[2]。本文初步確定的進(jìn)口減縮角為18°，出口擴張角為6°。

1.2 進(jìn)氣總管長度確定

在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速時汽油機進(jìn)氣總管長度對性能影響較大，而高轉(zhuǎn)速時作用很小。在比賽時賽車的轉(zhuǎn)速通常在高轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，所以對進(jìn)氣總管的長度要求不高。因為使用了限流閥，需要對總管用fluent軟件進(jìn)行分析；又由于基于方程式賽車的發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計是在大賽規(guī)則下的最優(yōu)設(shè)計，對設(shè)計的考慮因素有滿足方程式賽車的外框定義，本文進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計是進(jìn)氣口朝上的設(shè)計，也要避免與賽車頭枕的干涉[3]。所以選擇進(jìn)氣總管長度為282mm。

1.3 穩(wěn)壓腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

穩(wěn)壓腔可以給進(jìn)入空氣穩(wěn)定的空間，讓歧管進(jìn)氣更加均勻。穩(wěn)壓腔體積較大時，進(jìn)氣均勻度就會變得更好，對提高充氣效率越有利，但是如果體積過大就會導(dǎo)致氣門遲滯，踩下油門，加速效果也會有遲滯現(xiàn)象。因為我們還不能做到氣門遲滯的模擬，只能使用經(jīng)驗值，經(jīng)驗值一般在2.5——3.5L[4]，本文初步確定的體積為2.8L。

1.4 進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

發(fā)動機的進(jìn)氣歧管參數(shù)對進(jìn)氣有很大的作用。第一，當(dāng)進(jìn)氣歧管的長度比較短時，它的進(jìn)氣阻力就會相應(yīng)變小，由此我們可設(shè)計進(jìn)氣歧管盡可能短；第二是進(jìn)氣歧管的動態(tài)效應(yīng)，進(jìn)氣的過程不是瞬間完成的，是一個運動的過程，在空氣流動過程中，歧管內(nèi)的壓力不是固定不變的，這種壓力變化也會對進(jìn)氣效率產(chǎn)生影響。并不是所有的情況下，歧管變短都會有利。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不高時，歧管長度太短也不能增加進(jìn)氣效率[5]。因此，在綜合考慮的基礎(chǔ)上（既要提升各工況的進(jìn)氣效率，又要利用好進(jìn)氣諧振作用，還要符合比賽要求）使歧管的長度盡量小。本學(xué)校使用是摩托高轉(zhuǎn)速發(fā)動機，在比賽中轉(zhuǎn)速一般在6000—11000r/min，那么它的進(jìn)氣歧管可以設(shè)計的短一些 [6]。

發(fā)動機的進(jìn)氣過程是不連續(xù)的、周期性的，每個工作循環(huán)進(jìn)氣一次。由于進(jìn)氣有著這種特性，進(jìn)氣歧管內(nèi)會生成一種波，它會對歧管內(nèi)的氣體產(chǎn)生壓力，這種壓力波會在機構(gòu)內(nèi)傳播。Helmholtz提出了進(jìn)氣諧振理論并驗證了其準(zhǔn)確性。利用適當(dāng)大小進(jìn)氣歧管和一定大小穩(wěn)壓腔相適應(yīng)，在進(jìn)氣過程中可以在進(jìn)氣歧管內(nèi)產(chǎn)生壓力波，增大歧管內(nèi)壓力，使進(jìn)氣量變多一些。

所以通過進(jìn)氣諧振理論讓進(jìn)氣歧管與穩(wěn)壓腔組成諧振系統(tǒng)[9]，計算得出歧管長度在常用轉(zhuǎn)速8000r/min時為為76mm。

進(jìn)氣歧管出口要略大于或等于氣缸進(jìn)口，查詢氣缸參數(shù)可知氣缸出口直徑為40mm，所以進(jìn)氣歧管出口直徑可以為40mm或42mm。為使進(jìn)氣更充足，可以將進(jìn)氣歧管進(jìn)口設(shè)定略大于進(jìn)氣歧管出口尺寸，初步確定為45mm。

2 進(jìn)氣系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)以上初步確定的進(jìn)氣系統(tǒng)參數(shù)利用CATIA軟件建立了三維模型。見圖1：

對此三維模型進(jìn)行質(zhì)量流量分析見圖2：

此次模擬通過質(zhì)量流量分析結(jié)果圖可以看出總的質(zhì)量流量為0.0659kg/s。距離標(biāo)準(zhǔn)值0.070kg/s還有一段距離，其他四個進(jìn)氣歧管中間兩個管1、2明顯比兩端進(jìn)氣歧管3、4要大很多，質(zhì)量流量在四個管中并不均勻，需要進(jìn)行優(yōu)化。

對此三維模型進(jìn)行流場分析見圖3：

通過這個流場圖可以看出，氣體流線在穩(wěn)壓腔中流動沒有規(guī)律，比較凌亂。在四個進(jìn)氣歧管中的氣體流線分布也不均勻。所以需要優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)的各參數(shù)。

3 進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化過程

3.1 限流閥進(jìn)口漸縮角的優(yōu)化

由文獻(xiàn)資料查詢到的限流閥進(jìn)口漸縮角取值范圍為10°到20°，所以采用單一變量分析的方法，其他參數(shù)不變。因為限流閥總長度不能超過外框定義，并且節(jié)氣門大小確定的，直徑為28mm，所以通過調(diào)整20mm圓環(huán)與28mm的圓環(huán)距離來調(diào)整進(jìn)口漸縮角，從10°開始以1°的間隔遞增到20°進(jìn)行仿真分析，見表1：

將分析結(jié)果畫成柱狀圖，見圖4：

根據(jù)以上的仿真結(jié)果可以看出總的質(zhì)量流量隨著進(jìn)口漸縮角的增大先增多后減少，峰值在15°，總質(zhì)量流量為0.0661kg/s流體在管中的流動符合連續(xù)性方程（同一管中截面面積與流體流速的乘積為一定值）角度太小時進(jìn)氣口小于節(jié)氣門大小會使進(jìn)氣量不足，等于節(jié)氣門大小事會超過大賽規(guī)則外框，角度太大時，進(jìn)口氣體流速變慢也會使進(jìn)氣量變小。所以分析對比得出適宜角度為15°，其質(zhì)量流量分析結(jié)果如圖5所示：

3.2 限流閥出口擴張角的優(yōu)化

對于限流閥出口擴張角來說，5°到7°是它的經(jīng)驗值，同樣采用單一變量分析，得出不同出口擴張角角度下的總質(zhì)量流量結(jié)果，見表2：

將分析結(jié)果繪成柱狀圖，見圖6：

根據(jù)以上的分析結(jié)果可以看出進(jìn)氣系統(tǒng)總的質(zhì)量流量隨著出口擴張角的增大先增大后減小，在7°時得到峰值0.0687kg/s雖然查閱資料得到的出口擴張角的經(jīng)驗值為5°到7°，但是為保證準(zhǔn)確性，在8°時同樣進(jìn)行了仿真模擬，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。

同樣，由連續(xù)性方程可知，出口擴張角角度變大導(dǎo)致穩(wěn)壓腔內(nèi)氣體流速變慢，不利于進(jìn)氣，而且出口擴張角角度變大會客觀上增大穩(wěn)壓腔體積，可能會導(dǎo)致剎車遲滯現(xiàn)象。在出口擴張角為7°時的質(zhì)量流量結(jié)果如圖7：

3.3 對穩(wěn)壓腔進(jìn)行優(yōu)化

因為進(jìn)氣系統(tǒng)的四個歧管的位置是由氣缸確定的，不能改變，穩(wěn)壓腔的長度要滿足歧管位置的要求由于穩(wěn)壓腔經(jīng)驗值最大為3.5L，體積不大，所以采用腔體長度不變，改變直徑大小來控制穩(wěn)壓腔體積的方法來進(jìn)行建模分析。分析結(jié)果見表3：

分析結(jié)果柱狀圖見圖8：

可以看出穩(wěn)壓腔隨體積的變化，進(jìn)氣總質(zhì)量流量先增大后減小，在3.2L時取得最大值但是總體變化不大，因為穩(wěn)壓腔主要影響氣門遲滯。在所取經(jīng)驗值范圍內(nèi)，不會引起氣門遲滯現(xiàn)象，所以這里不考慮。其仿真結(jié)果見圖9。

3.4 進(jìn)氣歧管的優(yōu)化

進(jìn)氣歧管長度由以上進(jìn)氣諧振公式將新的穩(wěn)壓腔體積帶入到公式中，計算可以得出進(jìn)氣歧管長度近似為70mm。

由以上質(zhì)量流量分析結(jié)果可以看出來，中間的1、2歧管的質(zhì)量流量明顯高于兩端進(jìn)氣歧管3、4，造成四缸進(jìn)氣不均勻。原裝發(fā)動機的四個進(jìn)氣歧管都是一樣的，尺寸相同，因為氣體流到穩(wěn)壓腔兩邊的比中間兩管要少，所以需要改變兩邊歧管尺寸，增加歧管3和歧管4入口直徑，增大進(jìn)氣量使四管質(zhì)量流量基本相同，以1mm為間隔增加進(jìn)氣歧管的入口直徑，中間兩管入口直徑為原直徑45mm，而四個歧管出口直徑都與原模型一樣為42mm，入口直徑為48mm時，四個歧管質(zhì)量流量比較均勻，仿真結(jié)果見圖10：

優(yōu)化后的仿真結(jié)果，總的質(zhì)量流量已經(jīng)接近理想的0.07kg/s，并且四個進(jìn)氣歧管的質(zhì)量流量分布均勻。

4 優(yōu)化結(jié)果與結(jié)論

4.1 優(yōu)化前后參數(shù)對比

本次ANSYS仿真優(yōu)化分別對進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)口漸縮角、出口擴張角、穩(wěn)壓腔體積以及進(jìn)氣歧管的長度和歧管進(jìn)口直徑進(jìn)行了優(yōu)化優(yōu)化前后參數(shù)對比見表4：

4.2 優(yōu)化前后質(zhì)量流量對比

優(yōu)化前后質(zhì)量流量分析結(jié)果也有很大的不同，見圖12、圖13：

比較兩張分析圖可以明顯看出通過計算機仿真分析和單一變量分析方法優(yōu)化進(jìn)氣系統(tǒng)的各部分參數(shù)，使得進(jìn)氣系統(tǒng)總進(jìn)氣質(zhì)量流量增加達(dá)到了0.0697kg/s，與理想值0.070kg/s的差距不大，此理想值是吉林大學(xué)實驗室通過實驗測量得出。四個進(jìn)氣歧管也由不均勻變得比較均勻，滿足了發(fā)動機四缸進(jìn)氣均勻的要求。

4.3 優(yōu)化前后進(jìn)氣流場分析的對比

對優(yōu)化后的模型進(jìn)行流場分析，見圖14：

與優(yōu)化前流場圖3對比，可以明顯看出優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)中空氣流動的比優(yōu)化前的均勻，比優(yōu)化前的有規(guī)律，流線在穩(wěn)壓腔中流動路程比優(yōu)化前短提升了進(jìn)氣效率。在歧管中，可以看出流線數(shù)量在四個歧管中的數(shù)量基本相同，優(yōu)化后的模型在質(zhì)量流量方面已經(jīng)基本達(dá)到了要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李志豐， FSAE賽車發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計及流場特性分析[D].湖南：湖南大學(xué)， 2008：6-7.

[2]彭才望， FSAE賽車用發(fā)動機進(jìn)氣性能研究[D]， 廣東：廣東工業(yè)大學(xué)， 2013，13-20.

[3]徐鵬， 發(fā)動機進(jìn)氣道數(shù)值模擬與優(yōu)化設(shè)計， [D]山西：中北大學(xué)， 2014， 23-27.

[4]鄧召文 紀(jì)純偉， FSG賽車進(jìn)氣系統(tǒng)CFD設(shè)計開發(fā)[J] 汽車工程師， 2013， 31-35.

[5]李鑫 熊銳， 進(jìn)氣歧管的管長和管徑對發(fā)動機性能影響的探討[C]廣東， 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2013， 97-100.

[6]范愛花， 基于CAD/CFD的塑料進(jìn)氣歧管流場分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)[D]哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2011，26-32.