进气歧管结构对进气流动影响的数值模拟
摘要：利用Fluent软件对某型号多缸汽油机进气歧管建立了三维数值模型，并对其稳态流场进行了三维数值模拟与分析，研究了进气歧管主要结构参数对流场特性、压力损失和流量特性等的影响。
关键词：进气歧管；数值模拟；流场特性;压力损失；流量特性
中图分类号：U464.134+4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）05-0032-05
Effect of Parameters of Intake Manifold Structure on Characteristics of
Intake Flow Based on Simulation
NING Jun1，2，DANG Feng-ling2，YANG Na2，LI Li-guang1
（1.The Institute of Automotive Studies，Tongji University，Shanghai 200092，China;
2.Shanghai Fuel Cell Vehicle Powertrain CO.，LTD，Shanghai 201804，China）
Abstract: Based on Fluent software， a three dimensional model of the intake manifold of a certain multi-cylinder gasoline engine were carried out .Through the three dimensional numerical simulation and analysis of the steady flow ， it found out the effect of main parameters of intake manifold structure on the flow field， pressure loss and discharge characteristics.
Key words: intake manifold；numerical simulation; flow field; pressure loss; discharge characteristics
进气系统是发动机的重要组成部分之一，其布置形式和结构参数对发动机的充气效率、进气阻力、进气均匀性、缸内混合气运动和燃烧过程有着重要的影响，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性。
进气系统良好的结构布置形式和结构参数的合理选择有助于充分利用重力自然进气，同时可以使发动机充分利用歧管内气体流动的动力效应，从而提高发动机的充气效率，使发动机在较宽的转速范围内具有良好的性能。
近年来，关于进气歧管对发动机性能影响的试验研究已有不少报道［1-4］，主要研究了各缸的进气不均匀度、质量流量、流量系数等。但关于模拟的研究有限，主要集中在对进气歧管进行优化计算，提供评估进气歧管性能的方法。本文针对某型号汽油机进气歧管的优化设计，采用三维数值模拟计算方法，利用Hypermesh软件和Tgrid软件进行网格划分，利用Fluent软件对多缸发动机进气歧管进行模拟，研究了进气歧管结构改进前后的流场特性、压力损失和流量特性，分析了主要结构参数对进气流动的影响。
1 进气歧管网格划分
研究对象汽油机排量为1.8 L，标定功率和转速为74 kW和5 200 r/min。首先用Hypermesh和Tgrid软件对进气歧管三维模型进行四面体网格的划分，在出口处对网格进行加密，并设置边界条件，入口端的前端面设为质量流量进口边界，各个歧管的出口端面设置为自由流，其他均为壁面边界，结果如图1所示。
图1 进气歧管三维网格效果图与边界定义
表1 进气歧管结构参数变化对比
对表1中的结构参数进行比较可知，进气歧管改进前后结构变化不大，主要是因为受发动机结构限制。各歧管在出口面积不变时，增加了长度；同时稳压腔与歧管过渡面变长，进口长度减小。下面将进一步计算和分析这些结构变化给流动所带来的影响。
2 湍流方程
Fluent常用的湍流模型包括Spalart-Allmaras模型，标准κ~ω、RNG κ~ω和Realizable κ~ω模型，标准和SST κ~ω模型，雷诺兹压力模型，大型艾迪仿真模型等等。本文的模拟计算所选用的是标准κ~ω湍流模型。
在标准κ~ε模型中，κ和ε是两个基本未知量，与之相对应的输运方程为：
（）+（i）=［（＋）］＋
Gk＋Gb--YM＋S（1）
（）+（i）=［（＋）］＋
G1（G＋G3Gb）-C2 +S（2）
式中：Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的项；YM代表可压缩湍流中脉动扩展的贡献，C1ε、C2ε、C3ε是经验常数；σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的湍流Prandtl数；Sk和Sε由用户定义的源项；μt是湍动粘度，可表示成k和ε的函数，即：标准κ~ε模型中的参数见表2。
表2 标准κ~ε模型中的常系数
3 模拟结果及分析
3.1 流场特性模拟
首先，模拟进气歧管齐开时的情况，分析流体内部流动特性。改进前后进气歧管模拟初始参数都选取进口质量流量为0.057 57 kg/s（虚拟转速为3 000转/分），进口表压为0（工作压力为1.013E05Pa），四个歧管均设置为流出自由流；其他设置均与前文所述一致。
图2~图5是在计算边界完全相同的情况下，分别为进气歧管流体压力等值云图和流场迹线图。可以看出，在原进气歧管进气过程中，气流发生的旋转、分离和回流现象明显要大于改进后，特别是压力值较大或较小的地方，如各歧管与稳压腔的过渡口以及歧管曲率半径较大处等都会发生回流或旋转等现象。如图2中，A点处为稳压腔左端，由于进气口位于稳压腔右端，进气气流在A点处明显受到挤压，而形成死区增大压力，增加流体与管壁或流体之间的摩擦，引起流体机械能的损失。在图3中A点处产生了明显的大面积回流。B、C、D、F点都是进歧管的过渡口，B、C、D点的压力由于受到进口流体的冲击造成压力急剧上升。F点位于进口后方受到流速加之歧管曲率半径的变化的影响产生了负压、回流（见流速图）和旋转流，以及E点产生的二次流，都会造成额外的能量损失。气流的旋转在图3中的四歧管中非常明显，延续到歧管出口处，对流动均匀性影响也非常大。
图6和图7是上述计算条件下的流速图，在流场迹线中无法判断的回流现象，可以在流速方向上明显得到。如图6和图7中A点处部分的回流现象在改进后的稳压腔内明显减弱且范围减小；B、C、D、F处的回流也基本消失或改善。从流速矢量图上也可以看出各个歧管内气流的旋转相应减少，这些都有助于减少压力损失。
3.2 单个进气歧管压力损失分析
已知结构上改进后的歧管长度有所增加，为了进一步分析长度所带来的影响，现通过研究内部质点的流迹图，分别在改进前后的进气歧管中取8个质点，然后由后处理工具绘制质点在歧管内的流动情况。工况仍为3 000转/分，只有歧管1（Outlet 1）为气缸充气。方便起见，质点起点为稳压腔与歧管1号过渡截面上一直径上的8个点。质点编号如图8所示。
从图9和图10中可以看出，质点进入歧管后，随着进气歧管长度的增加，压力是先降低再增加的。这是因为边界面的增加而增大了沿程损失，在歧管长度约150~175 mm处，压力达到了最小值。在此之后直至出口处，压力都呈上升趋势，分析认为此处受到进气谐振作用而呈现了波峰趋势，从而提高了出口压力，进而有利于进气。由图9质点号可以看出，4号、5号质点位置为歧管轴线附近，压力变化曲线相对于管壁附近的1号、8号幅度要小，如图中横坐标为25~150 mm处，说明随着管径的增大，其核心部分的流动随曲率半径的变化（见图1）相对较稳定，但是壁面附近的情况相对较差。与图10比较，最大的差异是迹线起始点附近，压力的集中度。在原歧管中由于稳压腔与歧管过渡段几何结构过于急剧，而产生较大的压力梯度，这也是图2和图3中D、F点处产生回流与旋转流的原因。
图11和图12为改进前后进气歧管内质点不同位置的湍动能。在整个歧管中流动的质点，后者的湍动能相对前者大，且沿程变化趋势相对一致。湍动能的增大对提高进气量有帮助。
观察稳压腔与歧管的过渡口与长度约150~175 mm处歧管形状结构对所取质点流动的影响，相对而言，后者的歧管结构较平顺，对流动的影响较小。从过渡口局部湍动能图13和图14可以看出，湍流区域发生了转移，后者更靠近歧管轴线附近，这也解释了为什么后者的流动更为均匀。
利用Fluent软件内质点迹线图来研究歧管长度的影响，虽然质点的轨迹不代表歧管轴线，但是却可以方便有效地做出内部流动评价。
3.3 稳压腔对压力损失的影响
图15和图16为改进前后进气歧管稳压腔局部流速（Y方向流速图），即流速在Y轴向的分量大小。需要说明的是该图为歧管稳压腔在Y向上中间剖面上的流速图，即理想流速应该没有Y轴方向。图中颜色偏红处为Y向速度偏大处，即图2中所示Ａ点处，前面提到该点处的回流较大，原因是稳压腔的结构不合理而在进气的冲压下产生了不必要的能量损失。改进后的稳压腔容积比之前略微减少，但是真正产生影响的应该还是过渡口加长的关系，从两图中可以明显看出这部分的流动要优于改动前，进入歧管的气流更加流畅，所以在流动死区在该截面上也基本消失。
3.4 流量特性分析
分支管出口截面流速不均匀，继续上一节的工况条件并采用三维模型可精确计算各分支管出口质量流量。质量流量按如下公式计算［7］:
Q=AVdA（3）
式中，A表示计算截面；ρ是微元面的流体密度；V是微元面的流体速度。上式在计算截面上离散后得到：
Q=i（Vix Aix+Viy Aiy+Viz Aiz）（4）
式中，i是第i个计算单元的密度，Vix，Viy，Viz是第i个计算单元的中心速度在三个坐标方向的投影，Aix，Aiy，Aiz是第i 个计算单元的面积在三个坐标方向的投影， n 是计算截面上的单元数。按上述方法计算各分支管出口质量流量如表3和表4 所示。同时给出fluent计算出口流量的数值，并进行误差对比。
从表3中可看出， 各分歧管出口流量不均匀，outlet 1出口质量流量最大，outlet 2 出口质量流量最小。这说明多缸发动机各缸进气不均匀。导致各缸进气不均匀的原因主要有两个: （1）各缸沿程流动损失不同。Outlet 1气缸距离进口最近，沿程流动损失小;outlet 3&4最远，沿程流动损失较大。（2）稳压腔容积影响。由于outlet 4开启时受稳压腔左端回流的影响，减少了进气量;（3）流体方向影响。气缸进气时，主流方向与2号歧管方向呈90度，对过渡段流动产生影响，相对于1号靠近进口以及3和4号死区改变主流方向看，只有2号影响较大。
表3中所述问题在表4依旧存在：靠近进气口的outlet 1和2的进气量仍然大于3和4，但是稳压腔问题有所缓和。
各缸进气的不均匀性将直接影响各缸空气与燃油的混合，从而影响燃烧过程的组织，使各缸的燃烧过程产生差异。因此，各缸进气的不均匀性是内燃机工作者所十分关心的课题。本文在进气管各分支管出口流量的数值计算的基础上，研究了各缸进气的不均匀性，为改善发动机各缸进气均匀性，提高发动机工作性能提供了有效手段。
4 结论
（1）针对某型号汽油机进气歧管内的流动进行三维数值分析，为深入了解其几何形状对流动特性的影响和改型设计提供了理论依据。
（2）计算结果表明，过渡口的优化与歧管长度的变化，对改善流动有明显影响。
（3）计算结果表明，改型后各歧管的流量偏差值比改型前普遍变小。
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