基于CFD的汽油機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)研究含開題及說明書

基于CFD的汽油機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)研究含開題及說明書,基于,CFD,汽油機(jī),歧管,設(shè)計(jì),研究,開題,說明書 XX設(shè)計(jì)說明書 基于CFD的汽油機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)研究 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 20XX年 6月 設(shè)計(jì)說明書 基于CFD的汽油機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)研究 摘 要 進(jìn)氣歧管對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音以及發(fā)動(dòng)機(jī)的排放起著關(guān)鍵性的作用，是汽油機(jī)的重要零部件之一。由于塑料進(jìn)氣歧管具有輕量化、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的受到了人們的關(guān)注和認(rèn)可。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出噪音。針對(duì)C14DVVT汽油機(jī)的進(jìn)氣歧管進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析。先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式和給定的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行大概計(jì)算，然后通過CATIA進(jìn)行三維建模 ，再導(dǎo)出進(jìn)氣歧管內(nèi)部氣流的計(jì)算域 ，最后利用用商業(yè)化CFD軟件FIRE對(duì)進(jìn)氣歧管內(nèi)部的氣體流動(dòng)進(jìn)行分析計(jì)算并提出改進(jìn)意見，最終完成進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：進(jìn)氣歧管，汽油機(jī)，CFD分析 Design of intake manifold of gasoline engine based on CFD Abstract Air intake manifold was the most critical component in the engine intake system.Plastic air intake manifolds successfully replaced the aluminum air intake manifolds for its good performance,lower weight and costs.In order to improve the efficiency of the engine,the torque and the engine performance,greatly improve the power performance and fuel economy of vehicles,study the design of C14DVVT engine intake manifold .Using advanced computer technology to design, calculation and analysis.First through the CATIA to build 3D model, and then get calculation domain of internal air intake manifold,and then use commercial CFD software FIRE for the analysis of gas flow and put forward the improvement opinion, finally completed the design of the intake manifold. Keywords: Intake manifold，gasoline engine，CFD analysis 目錄 1 緒論 1 1.1 引言 1 1.2 進(jìn)氣歧管綜述 1 1.2.1 進(jìn)氣歧管的影響因素 1 1.2.2 進(jìn)氣歧管的組成和分類 2 1.3 汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 3 1.3.1 進(jìn)氣歧管發(fā)展歷程現(xiàn)狀 3 1.3.2 塑料進(jìn)氣歧管在當(dāng)今社會(huì)中的發(fā)展優(yōu)勢(shì) 4 1.3.3 塑料進(jìn)氣歧管的選材以及產(chǎn)品要求 5 1.3.4 塑料進(jìn)氣歧管的制造工藝 6 1.4 我國(guó)塑料進(jìn)氣歧管的發(fā)展?fàn)顩r以及潛在市場(chǎng) 6 1.5 本課題主要研究?jī)?nèi)容以及研究意義 7 2 歧管結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)以及三維建模 8 2.1 設(shè)計(jì)所進(jìn)氣歧管所遵循的一般性原則 8 2.2選定進(jìn)氣歧管的初始參數(shù) 9 2.2.1穩(wěn)壓腔容積的選定 9 2.2.2選定進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度 9 2.2.3選定進(jìn)氣歧管的直徑 9 2.3歧管的結(jié)構(gòu)功能分析 10 2.3.1 相關(guān)傳感器的分析研究 10 2.3.2 燃油供給系統(tǒng)的分析研究 11 2.3.3 排氣凈化器對(duì)進(jìn)氣歧管的影響 11 2.3.4 真空助力器對(duì)進(jìn)氣歧管的影響 12 2.4 進(jìn)氣歧管的三維建模 12 2.4.1 三維軟件CATIA介紹 12 第 I 頁(yè) 共 II 頁(yè) 2.4.2 CATIA建模 13 2.5 本章總結(jié) 14 3 進(jìn)氣歧管流量分析與設(shè)計(jì) 15 3.1 用流體動(dòng)力學(xué)控制方程分析 15 3.1.1 質(zhì)量守恒方程 15 3.1.2 動(dòng)量守恒(N.S方程)方程 15 3.1.3 能量守恒方程 16 3.1.4 歧管沿程能量的損失分析 16 3.1.5 歧管的局部能量損失 17 3.1.6 進(jìn)氣歧管曲率半徑對(duì)能量損耗的影響 17 3.1.7 進(jìn)氣歧管截面面積的變化引起的損失 18 3.1.8 湍流流動(dòng)方程 18 3.2 CFD概述 18 3.3 AVL FIRE軟件簡(jiǎn)述 19 3.4 用FIRE進(jìn)行分析計(jì)算 19 3.4.1 劃分網(wǎng)格 21 3.4.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置 23 3.4.3 結(jié)果分析 30 3.4.4 提出改進(jìn)意見 35 3.5 本章總結(jié) 35 4 全文總結(jié) 36 參考文獻(xiàn) 37 致謝 40 第 II 頁(yè) 共 II 頁(yè) 1 緒論 1.1 引言 汽車行業(yè)是人們一直關(guān)注的焦點(diǎn)，汽車因其特殊的功能被人們稱作是能夠改變世界的機(jī)器，改革開放以來，伴隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展變得十分迅速，經(jīng)過我國(guó)人們多年的努力形成了品種繁多、系列復(fù)雜的各類整車車間以及零部件生產(chǎn)的配套體系，隨著人們生活水平的逐漸提高，汽車越來越多的進(jìn)入普通的農(nóng)民百姓家中。汽車產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)發(fā)展中有著特別地關(guān)鍵性作用[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)水平的高低直接影響汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)，它在整個(gè)汽車上扮著非常重要的角色[2]。 伴隨著社會(huì)主義現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，工業(yè)化程度的急劇加快，環(huán)境的污染越來越嚴(yán)重，資源面臨著嚴(yán)重的不足。汽車的尾氣污染給環(huán)境也造成了很大的影響，因此降低汽車發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放也一直是政府和專業(yè)人士的奮斗目標(biāo)[3]。 在汽油機(jī)的工作過程中需要有一套完整的進(jìn)氣裝置來為各個(gè)氣缸提供穩(wěn)定的新鮮混合空氣，氣缸內(nèi)的混合氣體流動(dòng)十分的復(fù)雜，而且具有不定常流動(dòng)和湍流性強(qiáng)等流動(dòng)特點(diǎn)。進(jìn)氣系統(tǒng)的好壞在一定的程度上影響發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能指針[4]。 汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)尺寸的大小以及布置形式是否合理等對(duì)歧管的進(jìn)氣均勻性等有著非常重要的影響，進(jìn)一步影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放特性[5]。在現(xiàn)階段研發(fā)過程中，能夠提供足量的新鮮空氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顯得十分的重要，所以進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要花費(fèi)更多的心思[6]。 1.2 進(jìn)氣歧管綜述 1.2.1 進(jìn)氣歧管的影響因素 進(jìn)氣歧管除了在進(jìn)氣方面的功用外，還對(duì)其它管路以及其它小附件起著支撐的功用[7]。前面接進(jìn)氣管，后面接進(jìn)氣道。它的作用是將混合氣體平穩(wěn)并且均勻地送到各個(gè)氣缸內(nèi)，與進(jìn)氣管，進(jìn)氣道一起構(gòu)成了完整的進(jìn)氣系統(tǒng)。 在發(fā)動(dòng)機(jī)的充氣效率和動(dòng)力性能方面，進(jìn)氣歧管的影響也是比較大的。通過對(duì)進(jìn)氣歧管的總成系統(tǒng)的調(diào)節(jié)來控制空氣的攝入量的多少，使得燃油的經(jīng)濟(jì)性得到提高。從進(jìn)氣阻力方面簡(jiǎn)單地來說，管道中的壓力降主要和管道直徑的四次方成正比關(guān)系，增大管徑可減小阻力。但是從其進(jìn)氣的波動(dòng)效應(yīng)來看管徑小可以增大其波動(dòng)效應(yīng)。管長(zhǎng)決定了進(jìn)氣系統(tǒng)中壓力液的擋位，同時(shí)還影響波動(dòng)效應(yīng)傳到氣門的時(shí)間。另一方面進(jìn)氣歧管可以合理有效地控制發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。進(jìn)氣歧管具有促進(jìn)各種氣體和空氣的混合作用，能夠充分的保證進(jìn)氣的均勻性能。對(duì)于非增壓類型的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，進(jìn)氣歧管是一個(gè)真空源，合理有效的提供給真空系統(tǒng)零件真空的作用[8,9]。 1.2.2 進(jìn)氣歧管的組成和分類 進(jìn)氣歧管給發(fā)動(dòng)機(jī)的電噴系統(tǒng)以及主要的傳感器和執(zhí)行器提供了結(jié)構(gòu)方面的支撐，給這些元件的安裝維修帶來了方便，如噴油器、油軌、各類傳感器、怠速控制以及剎車助力等元件都安裝安裝在進(jìn)氣歧管上，使得進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)很復(fù)雜[10]。 汽油機(jī)的配置不同。要求的進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)也不是完全一樣的，布置形式也千差萬別。經(jīng)過查閱資料得知，汽油機(jī)的進(jìn)氣歧管主要分為以下兩種。自然吸氣式和增壓式兩類。 圖1.1自然吸氣式進(jìn)氣歧管 圖1.2增壓式進(jìn)氣歧管 1.3 汽油機(jī)進(jìn)氣歧管的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 1.3.1 進(jìn)氣歧管發(fā)展歷程現(xiàn)狀 進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，良好的進(jìn)氣歧管可以對(duì)汽油機(jī)的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性以及排放性有非常大的促進(jìn)作用。而人們對(duì)進(jìn)氣歧管的研究也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月。最開始制造進(jìn)氣歧管的時(shí)候，所有采用的都是鑄件，但是由于進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜，而傳統(tǒng)的鑄件大都采用的是金屬模砂型鑄造，對(duì)于進(jìn)氣歧管不能夠滿足其表面光滑、質(zhì)量小等特點(diǎn)。而且在金屬進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)制造過程中。其工藝變得越來越復(fù)雜，成品率很難得到保證[11]。后來漸漸的被復(fù)合材料，鋁合金材料等所代替，有效的滿足了其質(zhì)量輕，內(nèi)壁光滑，減少阻力等特點(diǎn)，也增加了進(jìn)氣效率。伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展。對(duì)進(jìn)氣歧管的要求也越來越高。要求需要配備有復(fù)雜的內(nèi)部控制機(jī)構(gòu)，為了能夠進(jìn)一步滿足進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)要求。使得發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性以及排放性能夠得到進(jìn)一步的提高，發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)率先采用尼龍制造的進(jìn)氣歧管，緊接著美、韓等國(guó)相繼開發(fā)了塑料進(jìn)氣歧管[12]。從此以后塑料進(jìn)氣歧管越來越受到人們的認(rèn)可。不僅質(zhì)量輕。內(nèi)部光滑，而且阻力小。生產(chǎn)成本較低。 我國(guó)的塑料進(jìn)氣歧管發(fā)展比較曲折，早從20世紀(jì)90 年代初我國(guó)就開始攝入研究，開始先是從國(guó)外一些合資汽車企業(yè)引入先進(jìn)的技術(shù)至國(guó)內(nèi)。在這個(gè)過程中，進(jìn)氣歧管的核心技術(shù)由外資方控制，進(jìn)口成本特別高，塑料進(jìn)氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，在我國(guó)的發(fā)展受到了很大的阻力。后來慢慢的一些外資企業(yè)零部件生產(chǎn)商陸續(xù)在我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)進(jìn)氣歧管。使我國(guó)有了很大的機(jī)會(huì)對(duì)塑料進(jìn)氣歧管的接觸以至有了更大更深的了解。在這個(gè)階段過程中，國(guó)外先進(jìn)的的塑料進(jìn)氣歧管生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)線轉(zhuǎn)入到我國(guó)國(guó)內(nèi)，然后利用我國(guó)國(guó)內(nèi)特別廉價(jià)的勞動(dòng)力大批量的生產(chǎn)進(jìn)氣歧管，在利益的驅(qū)動(dòng)之下，在我國(guó)國(guó)內(nèi)的合資廠提供配套批量的塑料進(jìn)氣歧管。但是在這個(gè)階段中進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)和研發(fā)仍在國(guó)外進(jìn)行。所以一些真正的制造技術(shù)我們?nèi)匀粵]有接觸到核心。進(jìn)步較為緩慢。經(jīng)過大量的摸索和探究，國(guó)內(nèi)汽車制造技術(shù)也有了很大提高，國(guó)內(nèi)的部分企業(yè)開始了對(duì)塑料進(jìn)氣歧管的研發(fā)工作。 因技術(shù)含量比較高，，而其中包含了諸多的發(fā)動(dòng)機(jī)方面的重要技術(shù)。國(guó)內(nèi)的汽車企業(yè)沒有完全的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的整套技術(shù)的能力，所以都是仿制一些特別傳統(tǒng)的塑料進(jìn)氣歧管，導(dǎo)致設(shè)計(jì)制造技術(shù)水平十分的落后，塑料進(jìn)氣歧管的功能基本無法實(shí)現(xiàn)。滿足不了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境要求[13,14]。 1.3.2 塑料進(jìn)氣歧管在當(dāng)今社會(huì)中的發(fā)展優(yōu)勢(shì) 汽車工業(yè)發(fā)展的最主要的方向之一是能夠?qū)崿F(xiàn)汽車的輕量化，也是整個(gè)汽車行業(yè)和國(guó)家科技進(jìn)步的重要標(biāo)志。為了能夠快速的滿足汽車企業(yè)的發(fā)展和人們的需求，塑料進(jìn)氣歧管逐漸成為當(dāng)今進(jìn)氣歧管的發(fā)展方向。其技術(shù)要求非常的嚴(yán)格，目前只有很少幾個(gè)國(guó)家具有該項(xiàng)生產(chǎn)技術(shù)。但因?yàn)樗芰线M(jìn)氣歧管的制造成本十分低廉，質(zhì)量較輕，內(nèi)壁比較光滑，可以改進(jìn)氣體的流動(dòng)性，提高進(jìn)氣效率，隔熱效果也比較好等諸多的傳統(tǒng)材料不具有的優(yōu)點(diǎn)，因此受到了國(guó)內(nèi)的主機(jī)廠和配套制造方的密切關(guān)注，通過數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來塑料進(jìn)氣歧管在我國(guó)將有很大的發(fā)展空間[15]。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1)輕量化：與傳統(tǒng)的進(jìn)氣歧管相比，塑料進(jìn)氣歧管采用的是尼龍材料。其管壁較薄。其質(zhì)量降低約為50％左右。 (2) 動(dòng)力性提高：由于塑料進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁比其他材料的進(jìn)氣歧管光滑一些，其充氣效率和充氣量比傳統(tǒng)的進(jìn)氣歧管也提高很多，比鋁合金制造的的進(jìn)氣歧管的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性提高了3%到5%左右。 (3) 制造成本低：塑料進(jìn)氣歧管可以一次性合成，其合格率比較高。生產(chǎn)方式主要采用注塑成型、成型工序比較少、生產(chǎn)效率高、加工周期短。 (4)排放性和經(jīng)濟(jì)性：燃油燃燒更加充分。塑料進(jìn)氣歧管的導(dǎo)熱性比較低，氣體的密度較高，經(jīng)濟(jì)性能就得到了較大的提高。 （5）降低噪聲；現(xiàn)階段塑料進(jìn)氣歧管目前采用的材料都是尼龍(PA)制成。能夠有效的減振消聲和并提高其耐磨性。滿足現(xiàn)代城市的生活文明。 （6）環(huán)保：由于塑料進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁比較光滑、所以其進(jìn)氣較為流暢，燃料可以充分的燃燒，有效的減少了有害氣體。 1.3.3 塑料進(jìn)氣歧管的選材以及產(chǎn)品要求 因汽車企業(yè)周邊的復(fù)雜環(huán)境條件的影響所致，塑料在汽車行業(yè)的發(fā)展速度十分緩慢。汽車行駛過之后停車的剎那間，溫度都很高。因此，為了能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常的使用壽命和汽車較好的使用性能。在選定塑料進(jìn)氣歧管材料的時(shí)候，一般需要注意材料應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件[16]： (1) 耐高溫：因?yàn)樗芰线M(jìn)氣歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋直接性地連接，發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋溫度一般都很高。因此，進(jìn)氣歧管的材料通常要求能夠至少耐180℃及以上的高溫，通常采用尼龍制成。 (2)尺寸穩(wěn)定性要好：按照有關(guān)要求，進(jìn)氣歧管上要安裝各類元件，所以與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接處的尺寸公差必須符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，所以對(duì)材料的要求是必須具有尺寸穩(wěn)定性。 (3)強(qiáng)度要高：作為一種交通運(yùn)輸工具，在使用的過程中除了需要能夠承受各種道路上飛沙的沖擊敲打之外，還要耐得住汽車在運(yùn)輸過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的各種1振動(dòng)和負(fù)荷并且起到支撐作用。對(duì)強(qiáng)度要求比較高。 (4) 化學(xué)穩(wěn)定性要好：由于塑料進(jìn)氣歧管在工作過程中需要直接接觸油類物質(zhì)和冷卻液等各類腐蝕性物質(zhì)，特別是汽油，是很強(qiáng)的溶劑，冷卻液中的乙二醇腐蝕性物質(zhì)會(huì)對(duì)塑料產(chǎn)生非常大的化學(xué)反應(yīng)。所以塑料進(jìn)氣歧管材料必須要耐得住各種腐蝕，良好的化學(xué)穩(wěn)定訊能有利于延長(zhǎng)進(jìn)氣歧管的壽命，確保進(jìn)氣歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)中使用時(shí)各項(xiàng)性能能夠發(fā)揮作用。 (5)良好的熔融流動(dòng)性：由于這些零部件大都采用的是注塑成型，有的部件結(jié)構(gòu)是十分的復(fù)雜的，截至目前，幾乎所有的塑料進(jìn)氣歧管采用的材料都是尼龍PA6加25％～35％的玻纖的增強(qiáng)塑料或者尼龍PA66加25％～35％的玻纖的增強(qiáng)塑料。尼龍主要有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：耐高溫、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，但是收縮率比非常大。并且容易吸水。吸水后的強(qiáng)度有所降低。為了改善這種不足因此需要添加玻纖來減小尼龍的收縮率。塑料進(jìn)氣歧管材料人們一直在尋找中，也一直在發(fā)展中，盡管各個(gè)國(guó)家一直在竭盡全力的研究開發(fā)中，但是截至目前為止尼龍還是最佳的選擇材料[17]。 1.3.4 塑料進(jìn)氣歧管的制造工藝 塑料進(jìn)氣歧管在具備了其自身的優(yōu)勢(shì)之時(shí)，其制造工藝方法也比較多，每一種方法出來的效果也有差別。用過的最多的主要有熔芯法、摩擦焊法和熱板焊法等方法。隨著進(jìn)步發(fā)展又相繼出現(xiàn)了高溫誘導(dǎo)焊以及熱電阻焊等方法。 熔芯法的應(yīng)用比較早、也是比較成熟的一種生產(chǎn)工藝。它的主要優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)出來的進(jìn)氣歧管的內(nèi)壁表面十分的完整光滑，氣體的流動(dòng)性能也比較好，一次性注塑成型。氣密性能、機(jī)械性能都很良好。成品率高， 缺點(diǎn)是金屬芯鑄芯和熔芯過程中會(huì)消耗大量的能量，使得成本較高，不是很節(jié)約能源。 摩擦焊法是利用兩個(gè)待焊工件的接觸面產(chǎn)生的摩擦熱量能來使塑料快速熔化，兩個(gè)工件表面產(chǎn)生相對(duì)位移并作振幅往復(fù)的移動(dòng)，當(dāng)達(dá)到預(yù)期的焊接程度之時(shí)，焊接好的部分冷卻、固化，從而形成緊密地結(jié)合在一起。因其原理的特殊性，所以與熔芯注塑法相比較其生產(chǎn)效率高、成本低。但因是摩擦焊法使得焊縫處的強(qiáng)度比較低、導(dǎo)致氣體的流動(dòng)性相對(duì)其它焊接方法比較差。 熱板焊主要是因?yàn)閷?duì)工藝要求性非常的高，其應(yīng)用面比其它方法較為狹窄。綜上所述最合適的制造工藝方法是振動(dòng)摩擦焊，其生產(chǎn)效率比較高而且成本十分低[18,19]。已經(jīng)大力投入使用。 1.4 我國(guó)塑料進(jìn)氣歧管的發(fā)展?fàn)顩r以及潛在市場(chǎng) 進(jìn)氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)的最核心的零部件，一直以來受到了許多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的研究，新的排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管做出了新的要求，要求必須配備復(fù)雜的內(nèi)部控制，塑料成為了發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管最優(yōu)最佳的選擇材料。 目前中國(guó)的一汽與BASF公司已經(jīng)順利完成了柴油機(jī)的塑料進(jìn)氣歧管的開發(fā)工作并且率先在紅旗轎車上得以使用。這是我國(guó)歷來第一次研發(fā)成功的首個(gè)工業(yè)化塑料進(jìn)氣歧管。 另外重慶宗申汽車進(jìn)氣系統(tǒng)有限公司一直致力于汽車進(jìn)氣歧管的研制和開發(fā) ，其中一部分銷往國(guó)外，另一部分則針對(duì)國(guó)內(nèi)微車需要專門開發(fā)的。在國(guó)內(nèi)一些整車企業(yè)開始試用該塑料進(jìn)氣歧管，吉利汽車遠(yuǎn)景商務(wù)轎車在國(guó)內(nèi)率先試用塑料進(jìn)氣歧管，也代表了吉利目前最高的國(guó)內(nèi)研發(fā)設(shè)計(jì)水平。 中國(guó)的汽車工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入到一個(gè)高速的增長(zhǎng)階段，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也顯得越來越激烈，如何能夠減少汽車的制造成本且實(shí)現(xiàn)利益的最大化是諸多企業(yè)關(guān)注的核心，新材料新工藝越來越受到企業(yè)的關(guān)注和重視，而塑料進(jìn)氣歧管的需求量在隨汽車的年產(chǎn)量的增多而增加，其市場(chǎng)前景非常大。產(chǎn)品的輕量化和原料的國(guó)產(chǎn)化是中國(guó)汽車企業(yè)一直努力的方向，為早日把質(zhì)量、性能和檔次上升一個(gè)新的臺(tái)階而努力。目前我國(guó)的塑料進(jìn)氣歧管生產(chǎn)研發(fā)主要集中在上海，寧波，京津唐地區(qū)。東北黑龍江等地區(qū)。 1.5 本課題主要研究?jī)?nèi)容以及研究意義 本課題主要是針對(duì)C14DVVT發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，通過查閱大量的參考文獻(xiàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出進(jìn)氣歧管的一些參數(shù)，根據(jù)分析計(jì)算出來的參數(shù)利用三維軟件CATIA進(jìn)行三維模型，然后將建立好的模型以STL格式導(dǎo)出進(jìn)氣歧管的計(jì)算域，接著把將出來的計(jì)算域?qū)氲紽IRE中進(jìn)行分析，生成面網(wǎng)格、體網(wǎng)格，設(shè)置參數(shù)等等，生成進(jìn)氣歧管計(jì)算網(wǎng)格。建立歧管內(nèi)氣體的各種流動(dòng)方程、采用合適的計(jì)算方法、對(duì)氣體的流動(dòng)進(jìn)一步做數(shù)值模擬分析并且運(yùn)算。最后得出各進(jìn)氣管道的質(zhì)量流量、壓力分布、速度參數(shù)，對(duì)各個(gè)管道的進(jìn)氣均勻性和流動(dòng)阻力進(jìn)行分析研究，對(duì)本次設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管找出其不合理之處，最后進(jìn)行一些改進(jìn)建議。其過程具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面內(nèi)容： 1.對(duì)汽油機(jī)塑料進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)功能研究分析以及管內(nèi)流動(dòng)特性的分析并提出改進(jìn)意見。 2.分析進(jìn)氣歧管的各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)該款發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響 3.對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管的型腔進(jìn)行三維流場(chǎng)分析探究 通過對(duì)本次設(shè)計(jì)的進(jìn)氣歧管進(jìn)行分析探究，將更有利于提高該款發(fā)動(dòng)機(jī)的各種性能以及排放性能。對(duì)我國(guó)汽車的發(fā)展能夠起到十分大的促進(jìn)作用，讓汽車更好、更安全的服務(wù)于人類社會(huì)。 2 歧管結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)以及三維建模 2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)氣歧管所遵循的一般性原則 為了能夠使得進(jìn)氣歧管各缸的進(jìn)氣能夠均勻一些，歧管的各個(gè)長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能等長(zhǎng)，也就是要求每個(gè)氣道的中心型線的長(zhǎng)度應(yīng)該盡可能地保持等長(zhǎng)，但是由于布置形式等以及眾多因素的影響使得進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度不能夠等長(zhǎng)。但是長(zhǎng)度對(duì)進(jìn)氣歧管的影響是比較大的，也是關(guān)鍵性要素之一，所以在進(jìn)氣歧管的設(shè)計(jì)之時(shí)應(yīng)該盡力地保證歧管長(zhǎng)度近似等長(zhǎng)。另外氣道的截面面積和穩(wěn)壓艙的體積也都會(huì)影響進(jìn)氣歧管的各種性能。 由于上面的這幾個(gè)參數(shù)都是由模擬計(jì)算的結(jié)果輸入而得來的，所以在設(shè)計(jì)和建模之時(shí)確保這些參數(shù)準(zhǔn)確，后面沒有特殊原因?qū)⒉辉龠M(jìn)行變動(dòng)[20]。 2.2 選定進(jìn)氣歧管的初始參數(shù) 汽油機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)一般情況下都裝在發(fā)動(dòng)機(jī)的前端，主要由空氣濾清器，進(jìn)氣道和進(jìn)氣歧管等零部件組成。其進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)形式取決于燃油供給系統(tǒng)，因?yàn)殡娍厝加投帱c(diǎn)噴射不會(huì)直接的影響混合氣體的形成，特別是在變工時(shí)燃油出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象，因此電控燃油多點(diǎn)噴射成為現(xiàn)在主流的供油方式。在開始進(jìn)行歧管的設(shè)計(jì)時(shí)首先確定以下幾個(gè)方面的參數(shù)：氣道的長(zhǎng)度L，氣道出口截面積S1，節(jié)流閥體的入口截面直徑Φ1和穩(wěn)壓腔的體積V，其進(jìn)氣歧管基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)平面結(jié)構(gòu)圖如下圖2.1所示 圖2.1 進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖 2.2.1穩(wěn)壓腔容積的選定 經(jīng)過查閱相關(guān)的資料和文獻(xiàn)，結(jié)合歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)及整車上的布置形式，為了能夠充分利用塑料優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)壓腔的容積一般是0．8～1．2倍的發(fā)動(dòng)機(jī)排量[21]。結(jié)合此次設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)的排量是1.4L，穩(wěn)壓腔容積V此次定為排量的1.2倍也就是1.68L，穩(wěn)壓腔的入口直徑取70mm。 本次采用的是塑料進(jìn)氣歧管，穩(wěn)壓腔容積大小影響諧振效率，它可以利用諧振效應(yīng)來提高歧管的充氣效率，同時(shí)可改善各缸的進(jìn)氣均勻性，對(duì)非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有很好的諧振進(jìn)氣的作用。 2.2.2選定進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度 由于發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)不同，其參數(shù)也不一樣。對(duì)每一款發(fā)動(dòng)機(jī)所匹配的參數(shù)下都存在一個(gè)最合適的歧管長(zhǎng)，歧管長(zhǎng)度影響進(jìn)氣效率。經(jīng)過查閱相關(guān)資料根據(jù)壓力波動(dòng)態(tài)效應(yīng)得知，理論情況下最佳的充氣效率下所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與氣門發(fā)出的第一個(gè)疏波到反射回壓縮波的間隔時(shí)間有關(guān)。在發(fā)動(dòng)機(jī)的某一特定的轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)部，進(jìn)氣過程中所產(chǎn)生正向壓力波能夠讓迸氣結(jié)束之時(shí)氣門處的壓力恰好比正常的進(jìn)氣壓力高一些，進(jìn)氣量比較充足。在型腔的設(shè)計(jì)中，需要考慮到進(jìn)氣的波動(dòng)效應(yīng)，讓氣流在最大扭矩點(diǎn)的轉(zhuǎn)速附近能產(chǎn)生增壓反射，以獲得較好的慣性增壓效果。歧管的長(zhǎng)度在一定程度上受到發(fā)動(dòng)機(jī)安裝空間位置等因素的限制，設(shè)計(jì)中兼顧其對(duì)流量和歧管模具制作難易程度等帶來的影響條件。經(jīng)過分析決定此次進(jìn)氣歧管的長(zhǎng)度L取400mm。 進(jìn)氣歧管長(zhǎng)度會(huì)對(duì)充氣效率和進(jìn)氣效應(yīng)等產(chǎn)生十分大的影響。在進(jìn)氣歧管型腔優(yōu)化計(jì)算中，長(zhǎng)度需要作為首個(gè)目標(biāo)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化[22]。 2.2.3選定進(jìn)氣歧管的直徑 經(jīng)過大量查閱相關(guān)的資料得知：進(jìn)氣歧管的管徑需要結(jié)合管道的摩擦效應(yīng)以及管道的波動(dòng)效應(yīng)來綜合進(jìn)行選取。單純的從管道摩擦效應(yīng)影響的角度去分析研究，管道中的壓力降大小跟管口直徑四次方的倒數(shù)成正比例關(guān)系，因此為了使壓力降盡可能小點(diǎn)，應(yīng)該盡可能地增大管徑[23]；但是從波動(dòng)效果角度來看，為了增大波動(dòng)的幅度則希望管徑小以些，兩者相互影響成為互斥的。為了能夠進(jìn)一步選取一個(gè)合適的值，現(xiàn)用公式法進(jìn)行分析如下所示。 從摩擦角度分析：管徑的最小估算公式如下2.1所示： （2.1） 上式中：d是氣缸的直徑，單位：mm；S為行程，單位：mm；n為汽油機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位：r／min。 根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。最佳的波動(dòng)效果的管徑計(jì)算公式如下所示： （2.2） 式中：V為氣缸的容積； 為了能夠讓進(jìn)氣歧管內(nèi)油膜順利蒸發(fā)，因此進(jìn)氣歧管的斷面表面應(yīng)該盡可能的做的大點(diǎn)。鑒因此原因大部分的進(jìn)氣歧管優(yōu)先采用方形形狀做成，從鑄造工藝的角度進(jìn)行分析，相比圓形，方形的鑄造更簡(jiǎn)單一些。而從單片塑料注塑工藝的角度進(jìn)行分析，半圓形斷面更將便于油膜進(jìn)行蒸發(fā)，又因?yàn)閳A形斷面相比半圓形斷面以及方形斷面的氣流其阻力要小很多，使得進(jìn)氣管道不容易形成油膜，經(jīng)過再三考慮希望得到更高的氣流速度更利于油膜的脫落，此次發(fā)動(dòng)機(jī)塑料進(jìn)氣歧管選用圓形斷面比較合適[24,25]。管徑采用方形形狀。 兼顧了功率和扭矩的之時(shí)，在本次設(shè)計(jì)進(jìn)程中初次選澤歧管管徑0.85倍的進(jìn)氣門直徑，經(jīng)過查參考文獻(xiàn)，C140VVT汽油機(jī)的進(jìn)氣門直徑為25.8mm.所以此次歧管直徑取為22mm.還應(yīng)特別注意一下歧管跟發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋進(jìn)氣道的結(jié)合處以及歧管所在的穩(wěn)壓腔上的布置形式[26]。接觸長(zhǎng)度50mm，寬為22mm，氣道之間的間距等長(zhǎng)，即L=L=L=30mm。 2.3 歧管的結(jié)構(gòu)功能分析 汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣歧管提供了輔助結(jié)構(gòu)的安裝位置，如執(zhí)行器、部分傳感器、油管、水管等，除了輸送混合物的運(yùn)輸和分配外，還包括安裝位置。今天，大多數(shù)電噴系統(tǒng)傳感器安裝在進(jìn)氣歧管上。因此對(duì)其結(jié)構(gòu)功能分析顯得十分重要。 2.3.1 相關(guān)傳感器的分析研究 一般情況下，在進(jìn)氣歧管上安裝的傳感器主要有兩個(gè)，分別是進(jìn)氣溫度傳感器與進(jìn)氣歧管壓力傳感器。其中之一的進(jìn)氣溫度傳感器主要作用是檢測(cè)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣的溫度，因?yàn)檫M(jìn)氣溫度的變化會(huì)使氣體密度發(fā)生變化，因此需要修正噴油量。為了使測(cè)量和校正準(zhǔn)確，溫度傳感器安裝在進(jìn)氣歧管上。進(jìn)氣歧管壓力傳感器主要用于測(cè)量進(jìn)氣歧管的壓力。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，隨著節(jié)氣門開度的增加，進(jìn)氣量增加，進(jìn)氣歧管真空減小。壓力傳感器通過檢測(cè)歧管內(nèi)的壓力來確定氣缸的工作狀態(tài)，以方便噴油和點(diǎn)火的精確控制。當(dāng)通過氣缸壓力缸時(shí)，傳感器應(yīng)安裝在進(jìn)氣管的第一個(gè)或第四個(gè)氣缸內(nèi)，并應(yīng)靠近進(jìn)氣閥，便于準(zhǔn)確判斷氣缸?？砂惭b在進(jìn)氣總管和穩(wěn)壓腔上。 這些傳感器在進(jìn)氣歧管上的配置，除了匹配發(fā)動(dòng)機(jī)中使用的控制系統(tǒng)外，還應(yīng)考慮安裝位置的橫向力，最大限度地減少滑塊和其它機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。降低模具等其制作難度。 2.3.2 燃油供給系統(tǒng)的分析研究 多點(diǎn)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的供油系統(tǒng)通常由燃油濾清器、油軌、燃油壓力調(diào)節(jié)器和噴油器組成。而在進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)過程中燃油壓力調(diào)節(jié)器、噴油器的安裝的具體尺寸以及位置等都會(huì)對(duì)進(jìn)氣歧管的性能產(chǎn)生影響。 各元素的作用和功能是不一樣的，在油軌燃油均勻地分布到噴油器和燃油壓力調(diào)節(jié)器調(diào)整燃油軌壓力，由于實(shí)際系統(tǒng)的燃料供給率的變化和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管真空的燃料量的變化引起的干擾的清晰和緩沖。正常情況下，壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，隔膜的一側(cè)與燃油泵相連。而另一側(cè)相通進(jìn)氣歧管。其目的是能夠保證進(jìn)氣歧管與燃油泵的壓力差不變。 因此，在塑料進(jìn)氣歧管的腔體設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮各部件的安裝，以免干擾。 2.3.3 排氣凈化器對(duì)進(jìn)氣歧管的影響 該排氣凈化器主要包括蒸發(fā)損失控制裝置、曲軸箱通風(fēng)裝置和廢氣再循環(huán)裝置。蒸發(fā)損失控制裝置主要用于汽油機(jī)燃料時(shí)排放的蒸汽擴(kuò)散到空氣中，常用的活性炭作為臨時(shí)存儲(chǔ)的蒸汽空間，活性炭的通風(fēng)孔在一定真空度的位置，足以確保均勻的油氣混合物。其導(dǎo)入位置一般在穩(wěn)壓器的入口位置。為能夠有效防止曲軸箱壓力過高，采用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置。也就是說，進(jìn)氣管的負(fù)壓使曲軸箱內(nèi)的空氣進(jìn)入進(jìn)氣歧管和氣體混合物進(jìn)入燃燒室，然后燃燒。曲軸箱通風(fēng)裝置的設(shè)計(jì)原則時(shí)通風(fēng)孔末端壓力脈動(dòng)盡可能小點(diǎn)，將通風(fēng)孔導(dǎo)入位置放在穩(wěn)壓腔上，確保曲軸箱空氣在氣缸之間均勻分布。排氣再循環(huán)裝置在設(shè)計(jì)進(jìn)氣孔位置時(shí)應(yīng)確保氣缸內(nèi)的氣體分布均勻。 2.3.4 真空助力器對(duì)進(jìn)氣歧管的影響 真空室與制動(dòng)主缸相連，以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管上的真空并與控制閥一起形成真空助力器。目的是能夠有效地降低駕駛員的制動(dòng)力。 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，真空閥打開，氣門關(guān)閉。負(fù)壓室中的氣體吸入進(jìn)氣歧管中。踩下制動(dòng)踏板后，真空閥關(guān)閉?？諝忾y打開。松開制動(dòng)踏板，增壓活塞被歸位。氣室與真空室連通，油壓下降。制動(dòng)作用解除。 2.4 進(jìn)氣歧管的三維建模 2.4.1 三維軟件CATIA介紹 CATIA是由達(dá)索飛機(jī)公司在70年代左右開發(fā)的高檔CAD/CAM軟件，CATIA是英文ComputerAided?Tri.Dimensional?Interactive?Application（計(jì)算機(jī)輔助三維交互應(yīng)用）的縮寫。在中國(guó)目前由IBM公司代理銷售。 CATIA產(chǎn)品開發(fā)商達(dá)索航空是世界領(lǐng)先的航空航天集團(tuán)企業(yè)，產(chǎn)品被稱為幻影2000和陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)。達(dá)索航空成立于1981。它的發(fā)展非常迅速?，F(xiàn)在在CAD/CAM領(lǐng)域和PDM中有著非常重要的地位，得到了社會(huì)各界的認(rèn)可。其銷售利潤(rùn)也迅速發(fā)展。從年初的一百萬多美元到目前的近二十億美元。公司人數(shù)也由原來的20人發(fā)展到現(xiàn)階段的2000多余人。 CATIA是CAD/CAM技術(shù)在CAD/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)先供應(yīng)商。廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車制造、機(jī)械制造、電力電子、消費(fèi)品等行業(yè)。該解決方案涵蓋幾乎所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域，CATIA提供了非常有利的條件，在幾乎所有的工業(yè)機(jī)械部門的大，中，小型企業(yè)。包括從大型波音飛機(jī)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)到化妝品包裝，覆蓋所有制造業(yè)?？梢愿鶕?jù)不同的尺寸定制不同的應(yīng)用，為企業(yè)提供一個(gè)完整的解決方案。CATIA來自航天工業(yè)，但其強(qiáng)大的功能得到業(yè)界的認(rèn)可，在歐洲汽車工業(yè)中，已經(jīng)成為一個(gè)非常有用的軟件。CATIA的領(lǐng)先用戶包括世界制造業(yè)知名的制造公司，如波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等。在中國(guó)，CATIA也得到了廣泛的應(yīng)用。哈爾濱、沈陽(yáng)、西安、成都、景德鎮(zhèn)、上海、貴陽(yáng)等。包括一汽集團(tuán)、上海大眾、北京吉普、武漢神龍，包括許多汽車公司都選擇CATIA開發(fā)他們的新車型。 CATIA是汽車工業(yè)的支柱，是歐洲、北美洲和亞洲許多頂級(jí)汽車制造商使用的核心系統(tǒng)之一。CATIA在造型風(fēng)格、車身和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為不同用途的車輛設(shè)計(jì)和制造提供端到端的解決方案。它涉及產(chǎn)品、加工和人的三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。CATIA的可擴(kuò)展性和并行工程能力顯著降低上市時(shí)間。 2.4.2 CATIA建模 用CATIA三維建模，按下CATIA中的中鍵和Ctrl鍵旋轉(zhuǎn)模型，不同的角度截圖如下所示 。 圖2.2 進(jìn)氣歧管三維圖(a) 圖2.2 進(jìn)氣歧管三維圖(b) 圖2.2 進(jìn)氣歧管三維圖(c) 2.5 本章總結(jié) 本章主要根據(jù)查到的經(jīng)驗(yàn)公式以及數(shù)據(jù)確定了該款發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，經(jīng)過綜合考慮進(jìn)氣歧管的安裝位置和設(shè)計(jì)原則對(duì)進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)尺寸的影響，選定進(jìn)氣歧管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下，穩(wěn)壓腔的容積為L(zhǎng)為1.68L，入口直徑?為70mm，歧管長(zhǎng)度L為400mm，形狀做成方形，長(zhǎng)為50mm，寬為22mm，倒角半徑分別為9mm和2.5mm，氣道的間距L=L=L=30mm，初步分析了進(jìn)氣歧管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)功能的影響。對(duì)三維軟件CATIA的發(fā)展歷程做了一定的介紹并利用該軟件對(duì)進(jìn)氣歧管進(jìn)行了三維建模。 3 進(jìn)氣歧管流量分析與設(shè)計(jì) 3.1 用流體動(dòng)力學(xué)控制方程分析 3.1.1 質(zhì)量守恒方程 首先，通過質(zhì)量守恒定律分析了質(zhì)量守恒定律，對(duì)于流動(dòng)性問題，應(yīng)滿足質(zhì)量守恒定律。進(jìn)氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件，是氣體流動(dòng)的重要管道。最終把氣體均勻地分配給各個(gè)氣缸。在進(jìn)氣歧管中內(nèi)部，質(zhì)量守恒定律可以簡(jiǎn)單地表示為：在單位時(shí)間內(nèi)。所選歧管（控制體）的氣體減少量等于流出歧管控制體的氣體的質(zhì)量。即流體的連續(xù)性方程。公式如下3.1所示 (3.1) 引入矢量符號(hào): (3.2) 將式(2.1)寫成向量形式: (3.3) 式(3.1)至(3.3)中,為密度;t為時(shí)間;、和是速度矢量u在x、y和z方向上的分量。 3.1.2 動(dòng)量守恒(N.S方程)方程 動(dòng)量守恒定律是任何流動(dòng)系統(tǒng)必須遵循的基本規(guī)律之一。 該定律可表述為：在微元素中，流體動(dòng)量的變化率等于作用在微元上的力之和。該定律就是牛頓第二定律的另外一種形式。根據(jù)這一定律，可導(dǎo)出x、y和z方向的動(dòng)量守恒方程： （3.4a） （3.4b） （3.4c） 方程（3.4）是流體中的動(dòng)量守恒方程，簡(jiǎn)稱動(dòng)量方程，又稱運(yùn)動(dòng)方程， 3.1.3 能量守恒方程 能量方程的守恒定律也被稱為熱力學(xué)第一定律。是流體力學(xué)系統(tǒng)必須滿足的基本規(guī)律之一。該定律可簡(jiǎn)單表述為：在微觀物體中，能量的增加率等于將流體的熱流動(dòng)轉(zhuǎn)化為微觀物體，用物理和面部的力作用在微機(jī)體上完成。 假設(shè)質(zhì)量在流形上，在一定的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過dt時(shí)間段移動(dòng)ds，可以看出外力之間的關(guān)系。 （3.5） 假定管內(nèi)為不可壓縮定常流動(dòng)，選取一個(gè)控制體，1和2分別是進(jìn)氣歧管控制體進(jìn)出截面的速度，p1和p2分別為氣體流入和流出截面的的壓強(qiáng)。根據(jù)不可壓縮流體的伯努利方程 （3.6） 從上面的方程中可以看出，管道中切向應(yīng)力的摩擦功消耗了流體的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。為了克服粘性阻力，其機(jī)械能逐漸減小，總水頭逐漸減小。其由于在管內(nèi)部。氣流質(zhì)量變化較小。因此氣體流動(dòng)過程中的位能可忽略不計(jì)。若截面積大小A1=A2。則有 ，根據(jù)牛頓摩擦定律，速度梯度越大，剪切應(yīng)力越大，粘性力越大。 3.1.4 歧管沿程能量的損失分析 在緩慢的過程中損失的大小與流動(dòng)狀態(tài)的有著密切的關(guān)系，根據(jù)雷諾測(cè)試，在層流中沿路徑的損耗跟平均速度成正比關(guān)系，湍流中和速度的1.75.2次方成正比例關(guān)系。用如下公式所表示 （3.7） 從上述公式來看，管道越長(zhǎng)，直徑越小損失的能量也就越多。因此對(duì)于進(jìn)氣歧管來說，直徑在合適的范圍內(nèi)直徑應(yīng)該盡量大點(diǎn)。歧管的長(zhǎng)度在有效的范圍內(nèi)應(yīng)該越小越好。 3.1.5 歧管的局部能量損失 在發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于管路較短，且塑料管壁相對(duì)光滑，因此沿途的損失很小，局部損失成為最重要的損失，由一系列局部阻力疊加而成。跟歧管的曲率半徑，截面變化以及雷諾數(shù)有關(guān)系，在管中，通常用下式表示 （3.8） 最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及大量的實(shí)驗(yàn)證明總結(jié)了進(jìn)氣歧管能量損失分布大約如下表所示 表3.1 歧管能量損失分布 發(fā)生能量損失的位置 能量損失所占的百分比（%） 摩擦損失 12% 進(jìn)氣總管入口 2% 節(jié)氣門連接處 2% 節(jié)氣門體 9% 穩(wěn)壓器入口 4% 進(jìn)氣歧管入口 52% 歧管彎曲部位 18% 3.1.6 進(jìn)氣歧管曲率半徑對(duì)能量損耗的影響 在進(jìn)氣歧管彎道處流速處，由切應(yīng)力產(chǎn)生的沿程損失和漩渦產(chǎn)生的損失。在彎道處。內(nèi)測(cè)流速大，外側(cè)流速小，根據(jù)牛頓第二定律可得出曲率半徑與流線上的速度v的關(guān)系。 （3.9） 式（3.9）中C為積分常數(shù)。 由此可見。在彎道流速的主法線上，隨著曲率半徑的減小，速度在增加，所以彎道處內(nèi)測(cè)速度高，外側(cè)速度。在橫截面速度分布梯度的正方向上，能量損失也較大，截面有效利用率相對(duì)較低。進(jìn)氣歧管彎曲處壓力損失公式可表示為如下（2.10）所示。 （3.10） 由上面分析得知，歧管的彎曲會(huì)減少壓力波，有時(shí)可能也會(huì)發(fā)生波的反射。所以在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該讓軸的曲率半徑小點(diǎn)，并保持流形的平穩(wěn)過渡。 3.1.7 進(jìn)氣歧管截面面積的變化引起的損失 進(jìn)氣歧管截面積變化引起的損失主要有以下幾個(gè)位置，歧管的進(jìn)出口，截面面積的突然減小和逐漸縮小三種方式。在進(jìn)氣歧管的型腔設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于進(jìn)氣歧管的管道進(jìn)出口，應(yīng)該盡可能的加大穩(wěn)壓器與各歧管入口之間的圓角。以減小局部阻力損失。對(duì)于截面積逐漸減小的管道。沒有流線脫離壁面等問題。收縮角越小，截面積變化越小。在歧管設(shè)計(jì)過程中，截面面積應(yīng)平穩(wěn)過渡。對(duì)于截面面積突然減小的管道，流體通過大直徑管道從小直徑管道流出，流線彎曲，流量必須收縮。流體在管道流量突然減少前膨脹。能量損失主要由以下兩部分組成。 （3.11） 從分析中可以看出，管段的突然減小造成的能量損失較大，導(dǎo)致斷面能量有效利用率的降低。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的避免截面面積突然減小這種現(xiàn)象。 3.1.8 湍流流動(dòng)方程 結(jié)合管內(nèi)流量不大的特點(diǎn)，對(duì)歧管湍流進(jìn)行仿真，提出雙向模擬管內(nèi)湍流。計(jì)算穩(wěn)定性高，計(jì)算資源要求低，成本低。近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)墻體功能。 湍流動(dòng)能輸運(yùn)方程（方程） （3.12） 渦流耗散率輸運(yùn)方程（方程） （3.13） 聯(lián)立以上兩個(gè)方程組得封閉控制方程。 3.2 CFD概述 CFD，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，是流體力學(xué)的一個(gè)分支，簡(jiǎn)稱CFD。CFD是現(xiàn)代流體力學(xué)、數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的產(chǎn)物。它是一門具有強(qiáng)大生命力的交叉科學(xué)。它以電子計(jì)算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化數(shù)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)模擬分析各種流體力學(xué)問題，解決各種實(shí)際問題。計(jì)算流體力學(xué)（CFD）是一種基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，包括流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)分析。CFD軟件的數(shù)值模擬基本上與流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬相同。將流體的控制方程用有限體積法分離到空間中，然后用迭代法求解各點(diǎn)的控制方程，離散后計(jì)算出該區(qū)域各點(diǎn)的流動(dòng)參數(shù)。通過數(shù)值模擬，對(duì)基本物理量的分布（如壓力、速度、濃度、溫度等）在復(fù)雜問題可以得到流場(chǎng)的不同位置，以及這些物理量隨時(shí)間的變化可以用來確定渦的分布特性、空化特性及脫流區(qū)。 3.3 AVL FIRE軟件簡(jiǎn)述 AVL公司是一個(gè)有信譽(yù)和聲譽(yù)在世界汽車技術(shù)公司，組成發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)。本公司成立于1948，是一家簡(jiǎn)陋的設(shè)計(jì)工作室，今天已發(fā)展成為集科研、設(shè)計(jì)、開發(fā)、咨詢和發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試生產(chǎn)為一體的跨國(guó)高科技企業(yè)?？偛吭O(shè)在格拉茨州，45家子公司和分公司遍布世界各地，是目前世界上最大的私營(yíng)公司。同時(shí)也是世界上最大的從事內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)、開發(fā)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)研究和分析的相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)及設(shè)備開發(fā)制造公司。 極其友好的用戶界面和一流的網(wǎng)格生成技術(shù)和解決方案，通過類似于辦公軟件界面的用戶界面的用戶越來越多的三塊結(jié)果加工一體化的火災(zāi)，具有簡(jiǎn)單明了，易于學(xué)習(xí)和掌握的特點(diǎn)。網(wǎng)格生成過程由導(dǎo)航程序引導(dǎo)，并且有不同程度的自動(dòng)生成。用戶可以實(shí)現(xiàn)各種形式的局部網(wǎng)格細(xì)化，并能快速生成移動(dòng)網(wǎng)格。對(duì)于更復(fù)雜的幾何圖形的任何一個(gè)，可以自動(dòng)生成六面體網(wǎng)格的[27]。 3.4 用FIRE進(jìn)行分析計(jì)算 首先打開Fire ，其軟件界面(Fire2008) 如下圖3.1所示 圖3.1 CFD Tools 窗口 點(diǎn)擊CFD Manager按鈕， 進(jìn)入界面，顯示如下圖3.2所示界面。 圖3.2 CFDWM 窗口 3.4.1 劃分網(wǎng)格 使用混合網(wǎng)格分區(qū)工具，它包括一個(gè)完整的自動(dòng)網(wǎng)格生成器。 （1）內(nèi)表面網(wǎng)格的生成。 從CATIA中抽取模型的內(nèi)表面計(jì)算域。，以STL格式導(dǎo)出，導(dǎo)出來的文件大小約為1.5M左右，STL格式用二進(jìn)制格式輸出， （2）創(chuàng)建表面網(wǎng)格。 在上圖頁(yè)面中右擊Meshes，選擇Import，再找到模型保存的路徑，確認(rèn)，出現(xiàn)如下圖3.3頁(yè)面所示便表面網(wǎng)格。 圖3.3 表面網(wǎng)格 （3）生成特征的邊緣線網(wǎng)格； 線網(wǎng)格是用戶定義在表面網(wǎng)格上所生成的特征邊緣線。為生成精確的體網(wǎng)格，在形狀尖銳的區(qū)域必須生成相應(yīng)的邊緣線網(wǎng)格。用CFD 提供的自動(dòng)生成線網(wǎng)格工具 Auto Edge。生成的線網(wǎng)格如下圖[28]。 圖3.4 線網(wǎng)格 (4) 建立Selections； 選中表面網(wǎng)格，同時(shí)考慮到使用的氣體流量需要從入口到四個(gè)出口，所以建立六個(gè)Selection，分別用來定義入口、出口和各缸的各個(gè)出口為BC_inlet，BC_outlet,out1,out2,out3,out4[29,30]。 (5) 劃分網(wǎng)格，得到下面的體網(wǎng)格；如下圖3.5所示。 圖3.5 生成的體網(wǎng)格 利用網(wǎng)格劃分工具Create Mesh，選擇Hybrid Assistant，然后設(shè)置參數(shù)，經(jīng)過綜合考慮體網(wǎng)格的質(zhì)量和后續(xù)的運(yùn)算速度等問題[31,32]，設(shè)置生成網(wǎng)格的最大尺寸約為0.0025。 （6）檢測(cè)體網(wǎng)格的質(zhì)量； 網(wǎng)格的質(zhì)量是非常重要的，它的計(jì)算對(duì)正常和計(jì)算的時(shí)間和精度有很大的影響，如果有負(fù)網(wǎng)格時(shí)，解算器就無法啟動(dòng)計(jì)算。因此，需要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行必要的檢測(cè)[33]。 檢查結(jié)果如下圖3.6所示。從圖看出，由于所需檢查列中的所有選項(xiàng)的數(shù)目是0，所以生成的網(wǎng)格的數(shù)量是好的，總網(wǎng)格數(shù)為387349，適當(dāng)?shù)臄?shù)量，不需要進(jìn)一步優(yōu)化。 3.4.2 計(jì)算參數(shù)設(shè)置 （1）生成新的case； （2）定義計(jì)算時(shí)的輸入的數(shù)據(jù)； 運(yùn)行模式選擇穩(wěn)態(tài)，邊界條件BC[1]，輸入以下數(shù)據(jù)，如下圖3.7所示。 圖3.6 體網(wǎng)格的檢查結(jié)果 圖3.7 邊界BC[1]數(shù)據(jù) 插入新的一個(gè)邊界BC[2]，輸入的參數(shù)如下圖3.8所示。 圖3.8 邊界BC[2]數(shù)據(jù) 對(duì)于純空氣，流體的屬性選擇AIR。 完成上述步驟后，再設(shè)置初始的條件，初始條件對(duì)收斂性的快慢有著比較重要的影響。輸入的數(shù)據(jù)如下圖3.9所示。 圖3.9 初始條件的設(shè)置窗口 Solver Control——控制器求解的參數(shù)的輸入 對(duì)離散項(xiàng)的設(shè)置，參數(shù)的設(shè)置如下圖3.10所示。 圖3.10 離散項(xiàng)設(shè)置 Equation Control——方程控制參數(shù)的輸入如下圖3.11所示。 圖3.11 方程控制參數(shù) 由于進(jìn)氣歧管氣體是冷流體，所以不需要求解能量方程。松弛因子可以控制每個(gè)方程的收斂速度。Underrelaxation factors——低松弛因子的設(shè)置如下圖3.12所示。 圖3.12低松弛因子的設(shè)置 Differencing Schemes——差分格式 為了能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算精度和收斂之間的折衷，混合因子被用來擦風(fēng)的高階格式。為了保證質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程，需要選擇中心差異，混合因子定義為1，即二階差，輸入?yún)?shù)在圖3.13所示。 圖3.13 差分格式 Linear Solver——線性求解器 在線性方程組的解，加快速度和最優(yōu)解收斂的穩(wěn)態(tài)計(jì)算和時(shí)間不長(zhǎng)的計(jì)算，與伽利略系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)的分析，因?yàn)樗哂泻軓?qiáng)的穩(wěn)定性，選擇線性求解器，然后輸入以下參數(shù)，如圖3.14所示。 圖3.14 線性求解器 Convergence Criteria——收斂標(biāo)準(zhǔn) 和標(biāo)準(zhǔn)的殘差進(jìn)行比較的，基本規(guī)則是標(biāo)準(zhǔn)殘留需要下降到三至四個(gè)數(shù)量級(jí)。最大迭代次數(shù)影響計(jì)算時(shí)間和計(jì)算結(jié)果的精度，設(shè)置最大迭代步數(shù)為1000，參數(shù)設(shè)置如圖3.15所示。 圖3.15 收斂標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的設(shè)置窗口 Output Control——輸出控制 2D結(jié)果輸出中激活Flow quantities, Turbulence quantities和Wall summary選項(xiàng)。 選擇Write restart file，輸入：輸出頻率200 選擇Write backup file，輸入：輸出頻率 100 選擇進(jìn)口和出口的監(jiān)控點(diǎn)的位置。選擇完后出現(xiàn)如下圖3.16所示。 圖3.16 結(jié)果監(jiān)控點(diǎn)的坐標(biāo) （3） 開始計(jì)算 開始計(jì)算，右鍵單擊case，選擇Start Calculation， （4）Monitoring the Calculation——計(jì)算監(jiān)控 在過程中，對(duì)所選網(wǎng)格的各種參數(shù)和殘值進(jìn)行觀測(cè)，信息儲(chǔ)存在文件中。 選擇Monitor選項(xiàng)，顯示的是網(wǎng)格單元?dú)堉档亩S圖像。選擇Data選項(xiàng)，顯示網(wǎng)格單元迭代步上的殘值。 3.4.3 結(jié)果分析 （1）對(duì)質(zhì)量流量模擬結(jié)果進(jìn)行分析 根據(jù)入口壓力，出口壓力對(duì)各歧管進(jìn)行分析，比較質(zhì)量流量，分析進(jìn)氣的均勻性。各歧管質(zhì)量流量如下表3.2所示。 E= （3.14） 其中： —.歧管出口最大流量 ——歧管出口最小流量 ——各歧管出口平均流量 表3.2 2000Pa壓差下最大不均勻度 outlet 1 2 3 4 計(jì)算流量（g/s) 46.49 48.47 48.69 48.92 (g/s) 48.14 E(%) 5.0 從表4.1中可以看出，進(jìn)氣歧管具有良好的進(jìn)氣均勻性，OUT1的流量略低于其他三個(gè)，可能是由于以下原因：歧管的位置太近，與流形的速度是比較高的，在進(jìn)氣風(fēng)的方向進(jìn)入時(shí)，它流經(jīng)出口1，結(jié)果有一個(gè)較大的渦流（湍流），造成較大的壓力損失，當(dāng)氣流進(jìn)入諧振腔較深，局部流場(chǎng)梯度減小，湍流減弱，所以其他三個(gè)出口壓力相對(duì)于前面的較小。整體進(jìn)氣均勻性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。 （1） 進(jìn)氣歧管的壓力場(chǎng)分析 對(duì)各個(gè)出口開啟時(shí)的case依次做壓力分布的表面切片，得如下圖3.17所示各缸分別工作時(shí)的壓力分布。 圖3.17 開啟時(shí)的壓力分布 從上圖的結(jié)果中可以看到除過歧管與穩(wěn)壓腔的連接處以外，各管道壓力分布是比較均勻的，壓力基本都在100000到100150Pa之間。變化較小，認(rèn)為是比較均勻的。而在歧管和穩(wěn)壓腔的連接處的壓力分布不太均勻，經(jīng)過探究得知主要是因?yàn)榇颂幍膹澢霃接行┐?，致使氣波壓力變化有點(diǎn)大出現(xiàn)壓力分布不太均勻而已。 (3) 進(jìn)氣歧管速度場(chǎng)分析 對(duì)各歧管出口開啟時(shí)的case依次做速度分布的表面切片。得到如下3.18所示的結(jié)果。 圖3.18 速度分布圖 從上圖中可以看到，各管道速度分布是比較均勻的，速度基本都在14m/s到16m/s之間。變化很小，認(rèn)為是均勻的。由于進(jìn)口與穩(wěn)壓腔平行，當(dāng)各出口開啟時(shí)，氣體進(jìn)入穩(wěn)壓腔前端的速度場(chǎng)分布幾乎一致。但由于出口位置的不同，造成穩(wěn)壓腔內(nèi)的速度場(chǎng)分布有較大區(qū)別。outlet1開啟時(shí)，在穩(wěn)壓腔的末端即outlet1歧管與穩(wěn)壓腔的連接處形成較大的渦流而損失能量，導(dǎo)致outlet1的流量偏小。outlet2、outlet3的速度場(chǎng)分布與outlet1近似，且均在歧管與穩(wěn)壓腔連接處位置產(chǎn)生渦流，但渦流大小依次減小，從而使出口的流量有所增加。 圖3.19 各歧管跡線分布 通過本次分析結(jié)合表3.2中的數(shù)據(jù)得知，歧管的平均流量為48.14g/s，而靠近穩(wěn)壓腔入口的第一個(gè)歧管的流量為46.49g/s，其它三個(gè)歧管的流量基本分布在48.5g/s左右。最大的不均勻度為5%。從上面的圖3.19可以看的更清楚，在不同的氣缸工作時(shí)。各歧管中跡線方向基本相同。速度的大小基本上在16m/s左右。因?yàn)檫M(jìn)口和穩(wěn)壓腔平行于氣體壓力容器的速度場(chǎng)的前面，分布幾乎是相同的。然而，由于出口位置和歧管與調(diào)節(jié)室連接半徑的不同，連接部位附近的速度場(chǎng)分布十分明顯?？梢钥闯?，內(nèi)部流動(dòng)的歧管流量比較均勻，進(jìn)氣歧管和穩(wěn)壓腔連接的彎曲角度過小，導(dǎo)致靠近穩(wěn)壓腔一側(cè)的一小塊區(qū)域流量較小?；趫D3.18圖3.19所示的結(jié)果，進(jìn)氣歧管內(nèi)流場(chǎng)比較穩(wěn)定，沒有較大的渦流區(qū)域發(fā)現(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要求。 3.4.4 提出相應(yīng)的改進(jìn)意見 總之，通過對(duì)壓力場(chǎng)分布和進(jìn)氣歧管的速度場(chǎng)分布的分析，可以發(fā)現(xiàn)，由歧管和穩(wěn)壓腔引起的壓力和速度變化的主要原因是，彎曲半徑小了一點(diǎn)，所以為了塑料進(jìn)氣歧管壓力和速度變化更均勻，以避免上述不良結(jié)果，將各歧管的支管與穩(wěn)壓腔兩者過渡部位的角度稍微做大一些，并稍微增大該連接處的管徑，過渡部位設(shè)計(jì)的盡量圓潤(rùn)一些，讓氣體經(jīng)過的時(shí)侯湍流度逐漸減小，保證進(jìn)氣更加順暢。 3.5 本章總結(jié) 本章主要通過流體力學(xué)從能量的角度對(duì)