汽车发动机进气管材料改型设计的数值模拟及优化

摘要

进、排气管道是汽车发动机的关键部件之一。其流动特性对发动机性能的影响十分敏感，其优劣影响到汽车的经济性、动力性和有害物排放的水平。近年来对发动机性能更高的要求也促使进气管的设计质量必须有进一步的提高。 传统的发动机进气管设计广泛采用稳流实验来评定进气管的性能。然而，实验方法只能给出流动的综合量，而不能获得缸内流场结构的详细信息，设计主要依靠设计者的直觉和经验。基于数值模拟的流体动力学方法使得对气道内气体流动的详细研究成为可能，通过CFD分析可以获得气道及缸内的压力场、流速场等参数的分布，方便地研究结构参数及其相对位置对流动特性的影响，为进气系统设计与改进提供依据。 到目前为止，采用实验和数值模拟相结合的方法被认为是进气系统改进设计中解决流体动力学相关问题最直接有效的方法。采用这两种方法相结合的方法可以克服各自的缺点。 本文对某汽油发动机的进气管进行了研究。对利用逆向工程方法的获得进气管数字模型，应用FIRE软件，采用有限容积法，对模型进行了数值模拟研究。为进一步设计和改进塑料进气管探索了一套方法。 然后，对发动机进行了进气道稳流试验以评价进气系统的总体流动特性，包括流量系数和涡流比，其中根据国内外研究选取了合适的实验压差和气门升程。 实际发动机中的流动区域一般具有不规则的复杂外形，例如发动机气道、燃烧室以及冷却水腔等，在本文中，我们对该部分的数模构建进行了简化处理。 计算网格的疏密和计算网格的方便生成也是计算流体力学在实际设计工作中得到广泛应用的一个关键。本文对于稳流数值模拟的网格划分方法，采用了基于不同部分疏密不同的划分方法。这种方法容易在整个计算区域内得到质量较高的网格，计算时间与计算精度也得到了很好的兼顾，该分网方法最后得到整个进气道的网格数为69万左右，使得最终计算时间约为25～30小时。 边界条件的确定原则主要是考虑符合实际稳流试验中的情况，将气道内的气体视为稳态的三维可压缩气体，主要给出了流动计算区域进口与出口的压力，对于进出口边界上的流速的大小与方向均不作任何限制，分析了缸内气体沿气缸轴线的速度分布规律，计算得到的流量系数和涡流比同稳流实验的结果相比具有较好的一致性。