基于ANSYS的FSAE赛车发动机进气系统仿真分析

对照可以发现，限流阀出口形状对流量的影响比入口程度大。

2 集气室仿真优化

FSAE大赛发展至今，发动机进气系的设计样式已经存在很多种，其主要区别表现在集气室上。多缸发动机中各缸进气的不均匀性，会导致各缸空燃比的不同，从而使各缸燃烧过程产生差异[4]。本文对两种不同形状集气室的进气系统进行瞬态分析，对比其进气不均匀性和气流流动情况。

2.1 进气系统模型

利用CATIA进行建模，得到了如图2所示的两种进气系统的三维模型，两种进气系统集气室形状不同，二者各有优点，左侧的进气系统采用圆筒形的集气室，这种进气系统形状简单，制造难度小；而右侧进气系统的集气室形状为曲面的，这种进气系统最大的优点是流线型好，气体流动阻力小。建立模型时，两种进气系统的集气室体积均为1L。

2.2 进气系统有限元对比分析

（1）湍流方程与边界条件

瞬态模拟中，除出口边界为UDF编写的周期压力函数外，其余与限流阀相同。本文模拟计算发动机在8000转时进气系统中的气流状态 [5]。

（2）进气系统集气室形状选取

通过对两种不同类型的进气系统进行分析得到如图3和图4所示的进气状态模拟图，通过对比发现，图4中的气体流动更加平稳顺畅，气体流动效果好，故曲面型进气系统的进气效果更好。

另外，发动机进气不均匀性越小，进气效果越好，该性能可以用最大不均匀度E来评价[6]：

E = （Qmax - Qmin ） /Qme

式中：Qmax——歧管出口质量流量最大值；

Qmin——歧管出口质量流量最小值；

Qme——歧管出口质量流量平均值。

某一周期各歧管的最大质量流量如表3与4所示，由表中的数据可以计算出曲面型和圆筒型的进气系统的进气不均匀度分别是12.14%和24.2%，由此可知曲面型进气系统的进气状态更加均匀，进气效果好，且各出口的质量流量更大。

2.3 曲面型进气系统有限元优化分析

（1）歧管倒角对进气不均匀性的影响

将曲面型进气的集气室与歧管连接处做圆角处理，可得到进气不均匀度E降低为11.29%。

（2）体积对进气均匀性的影响

建立两种体积为1.4L与1.7L的曲面型进气系统模型，以分析集气室体积对进气均匀性的影响，通过FLUENT仿真，得到两种模型各出口的最大質量流量如表5与表6。

由上述数据可知，1.4L的进气不均匀度为9.52%，1.7L

为6.40%，因此随着集气室体积增大，发动机进气更加均匀，进气量也稍有增加，能够提高燃烧的质量和发动机功率。

3 结论

根据对进气系统限流阀与集气室的分析结果，同时考虑布置空间和比赛规则，我们可以确定进气系统的尺寸与形状，具体如下：

（1）限流阀入口和出口锥角分别取32°和12°，入口和出口直径分别取40mm和70mm；

（2）采用1.7L的曲面型集气室进气系统，并对歧管和集气室连接处做圆角处理。

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].长沙：湖南大学，2008.

[2] 蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用[M]，北京：科学出版社，2004.

[3] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[4] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1998.

[5] 周颖.发动机瞬态进气流动特性三维数值模拟研究[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（5）.

[6] 王晗.发动机进气系统不均匀性的三维数值模拟[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（3）.

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