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发表于 2016-3-18 15:50:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
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进气歧管CFD计算仿真

进气歧管CFD计算仿真

        利用STAR-CD软件对某型发动机进气歧管进行三维数值仿真模拟,结果表明:该歧管的流通性能良好,在进气均匀性方面,应用在自然进气发动机比应用在增压发动机上效果更好。
        发动机进排气系统的气体流动特性复杂多变,直接影响发动机的充气效率,对发动机的动力性和经济性有着重要的影响。进气歧管是发动机的主要部件,应为发动机各缸提供均匀的新鲜进气,是影响发动机整体性能的关键因素。本文首先利用BOOST计算软件为进气歧管三维仿真计算提供边界条件,运用STAR-CD软件对歧管进行三维仿真。通过三维仿真模拟研究不仅能得到进气歧管的流通性能和进气均匀性等信息,还能直观地反应出歧管内流体的流动状态,为歧管的设计和改进提供重要的理论依据。
        数值模型
        1.三维模型与网格划分
        在计算中为了在STAR-CD中方便地选取细化区域,模型首先用有限元前处理软件HYPERMESH进行面网格的划分。表面网格处理好后导入STAR-CD中进行体网格的划分。网格总数为38万左右,网格模型如图1所示。
        2.计算仿真
        歧管流体流动受物理守恒定律的控制,基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。而进行模拟计算,实际上是求解控制方程。湍流模型采用高雷诺数k-ε湍流模型,近壁区采用标准壁面函数方程处理,且要求贴近壁面的网格的y+值在11~200之间,残差均应小于0.001。
       

进气歧管CFD计算仿真

进气歧管CFD计算仿真

        3.边界条件
        本文采用稳态计算和瞬态计算两种方法对进气歧管进行分析。稳态计算主要分析歧管的流通性能,稳态计算共计算4个case,在每个case中分别将歧管的一个出口定义为出口边界,其余进口定义为壁面,计算中进口速度取一个循环的平均值30.85m/s;瞬态计算主要分析歧管的进气均匀性。由Boost软件提供计算边界,具体边界条件如图2和图3所示。在稳态和瞬态计算中流体设为理想气体。
        结果分析
        1.稳态计算结果
        在进口流速为30.85m/s时,1、2、3和4缸进出口总压压差分别为2562Pa、2637Pa、2593Pa和2593Pa,从计算结果看4个缸的压力损失处在比较合理的范围,从相对压差损失率来看,1、2、3和4缸分别为-1.74%、1.14%、-0.54%和1.14%,相对压差损失率也在比较合理的范围,从稳态计算结果看该歧管的流通性比较好。
        2.瞬态计算结果
        瞬态计算主要是计算歧管的进气均匀性,图4显示了三维CFD计算与一维Boost计算出口流量随曲轴转角的变化曲线,从图中可以看出两计算结果大体相似,略有差异。相对于一维计算,三维CFD计算考虑了管内流体的流动,因此二者存在差异是必然的,但三维的结果更加可信。
       

进气歧管CFD计算仿真

进气歧管CFD计算仿真

        本次瞬态计算共进行了7个循环,其中前6个循环保证收敛解,7个循环输出计算结果。从瞬态计算结果来看,应用在增压发动机时歧管各通道的进气量存在一定的差异,其中1和2缸的进气量偏大,而3和4缸的进气量偏少。相对于平均进气量,1、2、3和4缸的误差分别为17%、3.3%、-11.2%和-9.2%,而在计算中为保证进气均匀性原则上要求各通道的进气量的相对误差在10%左右,因此该歧管在进气性能方面存在一定的不均匀性问题。
        经计算,该歧管应用在自然进气发动机时相对于平均进气量1、2、3和4缸的误差分别为10.6%、0.8%、-6.7%和-4.7%,进气均匀性比增压时得到很大地提高,该歧管更适用于自然进气发动机。
        原因分析:该机型为增压发动机歧管入口处气体压力偏大,因此造成气体在歧管内具有较好的穿透性,气流比较容易到达稳压腔的深处,从而造成1和2两缸进气量比3和4两缸进气量偏大。图5显示3缸开启时1缸内的气体流动,图6显示了1缸开启时3缸内气体的流动,从图中可以看出当3缸开启时1缸有相当明显的气流流进,而1缸开启时3缸几乎没有明显的气流流入,4缸内气体的流动状态与3缸相似。正是因为匹配增压机型时歧管的贯通性强导致1缸进气量大而3和4两缸进气量少。自然进气发动机因为入口气体压力小,气体的穿透性较差,所以各缸的进气均匀性较增压发动机好。
       

进气歧管CFD计算仿真

进气歧管CFD计算仿真

        结语
        通过对进气歧管的CFD数值模拟分析表明:
        1.该进气歧管进出口压力损失较小可以满足工程上的需求,说明歧管内部管路设计合理,歧管有较好的流通性能。
        2.瞬态计算由于发动机工作条件不同而导致歧管内气体均匀性出现差别,说明该进气歧管匹配自然进气发动机更为合适。
        3.CFD分析可以为设计人员提供了清晰的内部流场信息,是设计人员对歧管的设计效果有直观的了解。在提高设计能力,节约试验成本方面CFD分析可以起到重要的作用。
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