基于CFD的汽油机进气歧管设计研究含开题及说明书

基于CFD的汽油机进气歧管设计研究含开题及说明书,基于,CFD,汽油机,歧管,设计,研究,开题,说明书 XXXXXX设计开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：专 业：设计题目：基于CFD的汽油机进气歧管设计研究指导教师:20XX 年 3 月 10 日设 计 开 题 报 告1选题依据：1.1选题依据汽车产业是国民经济重要的支柱产业，产业链长、关联度高、就业面广、消费拉动大，在国民经济和社会发展中发挥着重要作用1。进入21世纪以来，我国汽车产业高速发展，形成了多品种、全系列的各类整车和零部件生产及配套体系，产业集中度不断提高，产品技术水平明显提升，已经成为世界第一大汽车消费国和第二大汽车生产国。发动机作为汽车的心脏，为车辆提供动力，在整车上扮演着不可或缺的角色2。由于环境污染日益严重，能源危机愈演愈烈，因而汽车使用低污染节能发动机一直是政府和专业人士的目标3。因此，降低发动机的排放、提高其燃油经济性也就成为目前内燃机工作者的当务之急。发动机在工作过程中需要一套进气系统来为气缸提供稳定的新鲜充量，其进气系统由空气滤清器、进气歧管、空气滤清器与进气管的连接管、缸盖进气道等组成。发动机中的气体流动十分复杂，并具有三维、不定常流动和流动湍流性强等特点。进气系统的优劣在很大程度上影响了发动机的动力性、经济性和排放性等性能指针4。发动机进气歧管的尺寸、形状和布置等对进气阻力、进气均匀性以及充气效率影响非常大，进而影响发动机的动力性、经济性和排放特性5。在现代发动机的研发中，提供足够的新鲜空气对发动机的性能指标有着重要的影响，因而进气歧管的设计变得十分重要6。通过对流体力学等专业课程的学习，根据发动机进气系统的工作原理，结合进气歧管的国内外发展现状，本次选择基于CFD的汽油机进气歧管设计研究这个题目。1.2本课题研究的内容，目的和意义本课题对C14DVVT发动机的进气歧管进行设计研究，采用先进的进气歧管设计方法，通过三维软件CATIA建立三维模型，然后再以STL格式导出进气歧管的计算域，之后将导出来的计算域导入商业化CFD软件FIRE中进行面网格、体网格的生成工作。运用FIRE自带的网格生成工具生成进气歧管计算网格。建立进气歧管内气体流动的守恒方程、选用合适的数值计算方法、对气体流动进行数值模拟分析运算。监控各进气管道的质量流量、压力分布、气流速度等参数，分析各管道的进气分配均匀性和流动阻力分布，找出进气歧管设计的不合理之处，提出改进意见。对于进气歧管的功用简单的来说，进气歧管是将燃油混合气送入发动机缸盖的一个组件，起到引导空气流向的作用。同时也是其它管路和较小附件的一个支撑体。对汽油机进气歧管进行设计研究，有利于发动机在以下三个方面进行提高（1）发动机动力性能，（2）发动机噪音，（3）发动机的排放。因此，对汽油机的进气歧管进行设计研究，其目的就是能够让汽油机的动力性能提高，降低汽油机的噪音，让进气歧管更加轻量化，提高充气效率，使各个气缸进气分配更加合理均匀3。对提高国内的汽油机动力性，稳定性，经济性等方面有很大的作用和意义7。1.3汽油机进气歧管国内外发展现状：汽车轻量化是汽车工业发展方向之一，也是汽车厂乃至国家技术进步和先进程度的重要标志。传统的进气歧管是铸件，目前大多数进气歧管为铝合金材料制成，由于进气歧管结构复杂，一般都采用金属磨砂型铸造，其表面粗糙、充气阻力大、质量大，外为满足发动机进气和电喷系统安装要求，金属进气歧管设计制造工艺越来越复杂，成品率很难保证8。随着欧排放标准的临近，新型发动机进气歧管要求配备电控可变进气阀等复杂的内部控制机构，金属进气歧管已很难满足未来进气歧管的发展要求。为了达到减轻质量降低油耗、提高发动机性能和降低排放等要求，欧洲的汽车商率先采用尼龙制造进气歧管，随后美国、日本、韩国各大汽车制造商相继开发塑料进气歧管9。塑料进气歧管的国产化进程大致可分为以下三个阶段：第一阶段为全部引进阶段。20世纪90 年代初，随着一些合资汽车企业的成立，国外较先进的发动机产品生产线随着一些引进车型被引入国内10。在这一阶段，塑料进气歧管作为发动机的重要部件，其核心技术由外资方控制，进口成本很高。第二阶段主要表现为一些外资企业直接在国内生产。在此阶段，外资企业将其在国外的塑料进气歧管生产线及全套模具转入到国内，利用国内廉价的劳动力，为其在国内的合资厂提供配套的塑料进气歧管，而塑料进气歧管的设计研发工作仍在国外11。第三阶段，随着国内汽车制造技术的不断进步，一些国内企业开始了塑料进气歧管的研制和开发工作。塑料进气歧管是一种高技术含量的产品，其中包含了很多发动机方面的关键技术。但目前国内大多数的塑料进气歧管生产企业过去只是普通塑料制品的生产厂，他们大都不具备设计和生产发动机的技术能力，因此只能仿制一些已经过时的塑料进气歧管，他们的技术水平良莠不齐12。总体而言，目前国内生产的塑料进气歧管普遍存在技术水平低下、难以满足发动机的工作要求的问题13。塑料进气歧管有很多优势：塑料进气歧管在设计和制造上要求非常高，性能要求非常苛刻，目前只有少数几个国家掌握该项技术。正是由于塑料进气歧管的轻量化，成本低，内表面非常光滑，气流阻力小，低噪声，设计自由度大等优点，国内的主机厂、配套制造方对这方面技术表示相当的关注，预测未来的中国市场在塑料进气歧管方面将有很大的发展空间14。塑料制品不仅能减少零件质量，而且能降低噪音。车用塑料一直是人们在汽车零部件设计及开发中的有效途径和重要手段之一，而且在未来的十年里，解决现有许多汽车安全问题的关键还是在于塑料。塑料不仅使发动机系统更容易设计和装配，而且也使发动机质量更轻13 14,。发动机塑料进气歧管可比铝进气歧管重量减轻以上，发动机动力性能得到 的提升，经济性和排放性也有相当改善，材料和制造成本都可得到降低15。本课题对C14DVVT发动机的进气歧管进行设计研究。参考文献1 窦昊.LJ276QE型汽油机进气流场分析及优化研究D，南宁：广西大学，2010.2 牛玲，徐葳，白敏丽.某型发动机进气歧管改型设计的CFD计算J.辽宁工程技术大学学报，2011-2-30（1）:126-131.3 严昶，李丰军，刘东航.CA4GE发动机塑料进气歧管的开发J.汽车工艺与材料，2005-06：30-35.4 黄金申，村上光军，胡树根.汽车进气歧管真空注型材料选用和工艺探讨J浙江科技学院学报，2009-09-21（3）：185-187.5 R.R.Matrin，I.A.Stroud，A.D.Marshall.Data Reduction for Reverse Engineeing，Computer and Automation Institute of Academy of Science. 1996-02:289-301.6 张颖.从概念设计到产品制造美国MPI公司谈塑料进气歧管设计制造需要专业化经验N.企业报导，2004-10。7 韩同群.电喷发动机进气管的设计与开发J.内燃机工程，2005-26(3):22-26.8 许元默，帅石金，王建昕.电喷汽油机进气歧管的CAD/CFD设计J.汽车工程，2002-24（4）:303-308.9 王莉发动机塑料进气歧管的应用现状与发展趋势J.小型内燃机与摩托车，2007-36（3）：83-86.10 Suzanne Caulfield，Brandon Rubenstein and Jay K. Martin，Paul Ruppel and Mark Meyer.Comparison Between CFD Predictions and Measurements of Inlet Port Discharge Coefficient and Flow Characteristics，SAE,1999-01-3339.11 周振巍.缸内直喷汽油机符合喷射进气歧管设计D.天津：天津大学，2008-05.12 李丹汽油机塑料进气歧管型腔设计方法研究D.天津：天津大学，2006-01-04.13 张劲.塑料车用进气歧管和燃油箱的应用及发展J.塑料工业，2007-35（3）：68-69. 14 朱茂强,钟翔波.小排量汽油机进气歧管优化设计与实验J.汽车工程师,2011-09. 15 Wenyu Pan，Yingjin Cui,James H.Leylek.ACFD Study of Losses in a Straight2Six Diesel Engine C. SAE paper ，1999-12-30.设 计 开 题 报 告设计方案：2.1设计步骤：2.1.1根据给定的原始发动机（功率，排量，喷油方式等）参数以及经验公式初步计算进气歧管的结构尺寸(管径，中心型线长度，稳压腔体积等).。2.1.2利用三维软件CAD进行初步建模。2.1.3对三维模型进行CFD分析计算并提出优化建议完善模型，最终定型。2.2设计进度安排2017年2月13日2017年3月10日；查阅相关文献，参考书完成开题报告。2017年3月11日2017年3月31日；熟悉进气歧管的设计特点及性能要求，建立进气歧管三维CAD模型。2017年4月1日2017年5月14日；进行CFD流动计算，分析其流通特性及进气均匀性。2017年5月15日2017年5月31日；编写说明书及外文资料的翻译。2017年6月1日2017年6月37日；图纸，论文的整理。汇总。 .设 计 开 题 报 告指导教师意见： 指导教师： 年 月 日附件：参考文献注释格式学术期刊 作者论文题目J期刊名称，出版年份，卷(期)：页次如果作者的人数多于3人，则写前三位作者的名字后面加“等”，作者之间以逗号隔开。例如：1 李峰,胡征,景苏等. 纳米粒子的控制生长和自组装研究进展J. 无机化学学报， 2001, 17(3): 3153242 J.Y.Li, X.L.Chen,H.Li. Fabrication of zinc oxide nanorodsJ. Journal of Crystal Growth, 2001,233:57学术会议论文集 作者论文题目文集编者姓名学术会议文集名称C，出版地：出版者，出版年份：页次例如：3 司宗国 谢去病 王群重子湮没快度关联的研究见赵维勤，高崇寿编第五届高能粒子产生和重离子碰撞理论研讨会文集C，北京：中国高等科学技术中心，1996：105图书 著者书名M版本出版地：出版者，出版年页次如果该书是第一版则可以略去版次。例如：4韩其智 孙洪洲群论M北京：北京大学出版社，1987101学位论文 作者论文题目D学士(或硕士、博士)学位论文. 出版地：出版者，出版年份例如：5 陈异.纳米粒子形貌控制研究D. 硕士学位论文. 北京：中国科学院, 2002专利 专利所有者.专利名称P. 专利国别：专利号，日期.例如：6 姜锡洲 . 一种温热外敷药制备方案P. 中国专利：881056073，1989-07-26.报纸类 作者.篇名N.报纸名，出版日期（版次）7 李大伦.经济全球化的重要性N.光明日报，19981227（3）XXX XXXXX设计（XX）中期报告学 生 姓 名：学 号：学 院：专 业：设计（论文）题目：基于CFD的汽油机进气歧管设计研究指 导 教 师:20XX 年 5月 10日设 计（论 文）中 期 报 告姓名班级学号设计（论文）题目：基于CFD的汽油机进气歧管设计研究本人在该设计（论文）中具体应完成的工作：（1）查阅相关文献15篇以上，准备资料，进行开题。（2）查找并翻译一篇与设计说明书相关的英文资料。（3）掌握进气歧管的结构以及工作原理，熟悉进气歧管的结构功能对发动机性能的影响。（4）根据经验公式并且查阅相关的资料计算进气歧管的主要参数。（5）根据进气歧管的的主要性能参数进行三维CATIA建模，并用AVL FIRE进行分析。（6）撰写毕业设计说明书一篇。1. 简述毕业设计（论文）开始以来所做的具体工作和取得的进展（要详细内容）1.1所做的具体工作和取得进展：1)收集和整理资料，参阅收集到的资料，对论文命题有了一定的认识。 2)完成了开题报告，并通过指导老师和论文开题答辩小组的审查。3)查找与阅读论文相关的合适的英文文献，对其进行了翻译。4)通过文献研究和实践研究，对课题有了较为全面的理解后，结合前人的研究成果，完成了说明书的初稿。1.2通过经验公式查找分析，确定C140VVT的进气歧管的主要参数与发展前景。其具体内容过程如下： 1 分析了塑料进气歧管的发展优势，轻量化、低成本、内表面光滑、噪声小、易设计等诸多优点。材料选择尼龙PA6或PA66加2535的玻纤增强塑料。制造工艺选择多片振动摩擦焊。2 稳压腔的容积为L为1.68L，入口直径为70mm，歧管长度L为400mm，形状为方形，长为50mm，宽为22mm，倒角半径分别为9mm和2.5mm，气道的间距L=L=L=30mm。3 利用三维建模软件CATIA建模，并详细的介绍CATIA的发展历程和主要功能以及其在世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，在汽车行业中，设计大部分都用CATIA，CATIA是汽车工业的实施标准。4 了解并学习了AVL公司开发的的FIRE软件，熟悉了该软件的发展历程并且在行业内地位和作用。并且利用该软件所学的知识对设计的进气歧管进行了一定分析计算，通过本次分析得知进气歧管的出口流量、压力场和速度场的分布的情况，判断出其进气均匀性能比较良好，满足进气歧管的设计要求设 计（XX）中 期 报 告2.目前存在的问题，下一步的主要研究任务，具体设想与安排（要详细内容）1、存在问题及解决措施 截至目前为止，在说明书的写作中主要有以下几个问题：1)对说明书所涉及的知识认识的不够深刻，所以对课题的探讨不够深入。2)研究中引入的数据不够，对相关问题的支撑程度不足。3)说明书的各部分之间的衔接不够强，有的地方缺少逻辑。4)在软件FIRE的分析过程中比较欠缺。对该软件的掌握程度不够。分析的结果和方法不太对导致上述问题主要有两个原因，一是研究不够深入，二是撰写不够严密。针对这两个原因，解决方法有：对说明书所涉及的知识以及前人的研究成果理解程度需要更加深刻，在这个基础上才能得到有深度的结论。需要对已完成的内容进行多次审阅，从内容、结构及用语等方面给予调整。对于写作过程中遇到的具体难题要多向指导老师请求援助。2、后期工作安排往后的主要任务是对已完成说明书初稿的基础上做进一步的完善以及对FIRE软件更深刻的研究分析，利用FIRE软件对进气歧管的各项参数进行检测并提出改进建议。具体的方法是参阅更多的相关研究文章，尤其是研究较为完整系统的书籍，深度提取其成果，结合本文的研究方向与思路进行引用，另外，说明书的进度方面，在初稿基础上进一步进行修改，争取在五月中旬完成终稿。XX设 计（XX）中 期 报 告3.指导教师对该学生前期研究工作的评价（是否同意继续研究工作） 在上一阶段的毕业设计学习过程中，熟悉并掌握了汽油机进气歧管的结构和功能。明确了歧管的各结构性能参数对汽油机性能的影响在查阅了大量的相关资料和参考文献后确定了进气歧管的基本结构参数，并且根据结构参数进行了进气歧管的三维CATIA建模。最后将进气歧管的三维模型图导入到了流体力学分析软件AVL FIRE中进行了初次分析。掌握了FIRE的基本分析流程。编写了毕业设计说明书的初稿。在上阶段的整个学习过程中，能够积极主动的查阅相关资料。遇到问题也能够积极主动地请教老师和同学。学习态度端正，思路清晰。可以进行下一阶段的毕业设计学习工作。 指导教师签字： 年 月 日备注：1、本表由学生填写，指导教师亲笔签署意见。 2、以上各项句间距可以根据实际内容需要调整。XXXXXX设计任务书学 院：专 业：学 生 姓 名：学 号：设计(论文)题目：基于CFD的汽油机进气歧管设计研究起 迄 日 期:20XX年2月13日 20XX年6月10日设计(论文)地点:指 导 教 师:负 责 人:发任务书日期: 20XX年2月13日设 计 任 务 书1毕业设计课题的任务和要求：（1）任务：熟悉进气歧管结构特点及其功能，了解进气特性参数对发动机性能的影响，以某四缸汽油机为参考设计进气歧管，使用商业化CFD软件对进气歧管流通特性及进气均匀性等性能进行研究，分析歧管结构与进气性能之间的关系。（2）要求：本设计要求对进气歧管进行结构设计、内部流动计算及性能分析，熟悉进气歧管的设计要求，撰写毕业设计说明书。2毕业设计课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：（1）原始数据：发动机参数型号 C14DVVT结构型式 直列四缸、四冲程、水冷喷油方式 MPFI,common rail缸径 73.8 mm行程 81.8 mm排量 1.4 L压缩比 10.2:1功率 72 kW6000r/min（2）要求：1）撰写开题报告1篇，开题报告参考文献不应少于15篇，注意参考文献格式；2）进行进气歧管3D建模并完成2D工程图绘制；3）深入了解进气歧管的结构特点及设计要求；4）对进气歧管内部气流运动进行CFD分析及结构设计分析；5）翻译1篇不少于2000字的外文资料，撰写毕业设计说明书1篇；6）按毕业设计相关要求完成所有材料的整理，准时参加毕业设计答辩。设 计 任 务 书3对毕业设计课题成果的要求包括毕业设计、图纸、实物样品等)：完成四缸汽油机进气歧管的结构分析及3D建模；完成进气歧管的三维CFD流动计算，并对歧管结构布置及性能进行分析；完成毕业设计说明书及外文文献翻译。4毕业设计课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2017年 2 月13日 3月13日 3 月14日 3月31日4 月 1日 5月14日5 月15日 5月31日6 月 1日 6月 7 日6 月8 日 6月10 日查阅相关文献资料，编写开题报告熟悉进气歧管的结构设计特点及其性能要求，建立进气歧管三维CAD模型对所建歧管模型进行CFD流动计算，分析其流通特性及进气均匀性完成毕业设计说明书的撰写及外文资料的翻译完成图纸、论文的整理、打印论文答辩学生所在学院审查意见：负责人： 年 月 日XX设计说明书基于CFD的汽油机进气歧管设计研究学生姓名： 学号： 学 院： 专 业： 指导教师： 20XX年 6月设计说明书基于CFD的汽油机进气歧管设计研究 摘 要 进气歧管对发动机的动力性，发动机的噪音以及发动机的排放起着关键性的作用，是汽油机的重要零部件之一。由于塑料进气歧管具有轻量化、设计自由度大等优点，越来越多的受到了人们的关注和认可。为了提高发动机的动力性和经济性，改善发动机的性能，降低发动机的输出噪音。针对C14DVVT汽油机的进气歧管进行设计研究。采用先进的计算机技术进行计算和分析。先根据经验公式和给定的发动机参数对进气歧管的结构尺寸进行大概计算，然后通过CATIA进行三维建模 ，再导出进气歧管内部气流的计算域 ，最后利用用商业化CFD软件FIRE对进气歧管内部的气体流动进行分析计算并提出改进意见，最终完成进气歧管的设计。 关键词：进气歧管，汽油机，CFD分析 Design of intake manifold of gasoline engine based on CFD AbstractAir 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目录1 绪论11.1 引言11.2 进气歧管综述11.2.1 进气歧管的影响因素11.2.2 进气歧管的组成和分类21.3 汽油机进气歧管的发展现状和趋势31.3.1 进气歧管发展历程现状31.3.2 塑料进气歧管在当今社会中的发展优势41.3.3 塑料进气歧管的选材以及产品要求51.3.4 塑料进气歧管的制造工艺61.4 我国塑料进气歧管的发展状况以及潜在市场61.5 本课题主要研究内容以及研究意义72 歧管结构尺寸的设计以及三维建模82.1 设计所进气歧管所遵循的一般性原则82.2选定进气歧管的初始参数 92.2.1稳压腔容积的选定92.2.2选定进气歧管的长度92.2.3选定进气歧管的直径92.3歧管的结构功能分析102.3.1 相关传感器的分析研究102.3.2 燃油供给系统的分析研究112.3.3 排气净化器对进气歧管的影响112.3.4 真空助力器对进气歧管的影响122.4 进气歧管的三维建模122.4.1 三维软件CATIA介绍12第 I 页 共 II 页2.4.2 CATIA建模132.5 本章总结143 进气歧管流量分析与设计153.1 用流体动力学控制方程分析153.1.1 质量守恒方程153.1.2 动量守恒(N.S方程)方程153.1.3 能量守恒方程163.1.4 歧管沿程能量的损失分析163.1.5 歧管的局部能量损失173.1.6 进气歧管曲率半径对能量损耗的影响173.1.7 进气歧管截面面积的变化引起的损失183.1.8 湍流流动方程183.2 CFD概述183.3 AVL FIRE软件简述193.4 用FIRE进行分析计算193.4.1 划分网格213.4.2 计算参数设置233.4.3 结果分析303.4.4 提出改进意见353.5 本章总结354 全文总结36参考文献37致谢40第 II 页 共 II 页1 绪论1.1 引言汽车行业是人们一直关注的焦点，汽车因其特殊的功能被人们称作是能够改变世界的机器，改革开放以来，伴随着我国的经济的飞速发展，汽车产业链发展变得十分迅速，经过我国人们多年的努力形成了品种繁多、系列复杂的各类整车车间以及零部件生产的配套体系，随着人们生活水平的逐渐提高，汽车越来越多的进入普通的农民百姓家中。汽车产业在国民经济以及社会发展中有着特别地关键性作用1。发动机水平的高低直接影响汽车的各项性能指标，它在整个汽车上扮着非常重要的角色2。伴随着社会主义现代化的飞速发展，工业化程度的急剧加快，环境的污染越来越严重，资源面临着严重的不足。汽车的尾气污染给环境也造成了很大的影响，因此降低汽车发动机尾气排放也一直是政府和专业人士的奋斗目标3。在汽油机的工作过程中需要有一套完整的进气装置来为各个气缸提供稳定的新鲜混合空气，气缸内的混合气体流动十分的复杂，而且具有不定常流动和湍流性强等流动特点。进气系统的好坏在一定的程度上影响发动机的各项性能指针4。汽油机进气歧管的结构尺寸的大小以及布置形式是否合理等对歧管的进气均匀性等有着非常重要的影响，进一步影响到发动机的动力性、经济性以及排放特性5。在现阶段研发过程中，能够提供足量的新鲜空气对发动机显得十分的重要，所以进气歧管的设计环节需要花费更多的心思6。 1.2 进气歧管综述1.2.1 进气歧管的影响因素进气歧管除了在进气方面的功用外，还对其它管路以及其它小附件起着支撑的功用7。前面接进气管，后面接进气道。它的作用是将混合气体平稳并且均匀地送到各个气缸内，与进气管，进气道一起构成了完整的进气系统。 在发动机的充气效率和动力性能方面，进气歧管的影响也是比较大的。通过对进气歧管的总成系统的调节来控制空气的摄入量的多少，使得燃油的经济性得到提高。从进气阻力方面简单地来说，管道中的压力降主要和管道直径的四次方成正比关系，增大管径可减小阻力。但是从其进气的波动效应来看管径小可以增大其波动效应。管长决定了进气系统中压力液的挡位，同时还影响波动效应传到气门的时间。另一方面进气歧管可以合理有效地控制发动机的排放。进气歧管具有促进各种气体和空气的混合作用，能够充分的保证进气的均匀性能。对于非增压类型的发动机来说，进气歧管是一个真空源，合理有效的提供给真空系统零件真空的作用8,9。1.2.2 进气歧管的组成和分类 进气歧管给发动机的电喷系统以及主要的传感器和执行器提供了结构方面的支撑，给这些元件的安装维修带来了方便，如喷油器、油轨、各类传感器、怠速控制以及刹车助力等元件都安装安装在进气歧管上，使得进气歧管结构很复杂10。 汽油机的配置不同。要求的进气歧管结构也不是完全一样的，布置形式也千差万别。经过查阅资料得知，汽油机的进气歧管主要分为以下两种。自然吸气式和增压式两类。图1.1自然吸气式进气歧管 图1.2增压式进气歧管1.3 汽油机进气歧管的发展现状和趋势1.3.1 进气歧管发展历程现状进气歧管是发动机的重要组成部分，良好的进气歧管可以对汽油机的动力性，经济性以及排放性有非常大的促进作用。而人们对进气歧管的研究也经历了漫长的岁月。最开始制造进气歧管的时候，所有采用的都是铸件，但是由于进气歧管的结构十分的复杂，而传统的铸件大都采用的是金属模砂型铸造，对于进气歧管不能够满足其表面光滑、质量小等特点。而且在金属进气歧管的设计制造过程中。其工艺变得越来越复杂，成品率很难得到保证11。后来渐渐的被复合材料，铝合金材料等所代替，有效的满足了其质量轻，内壁光滑，减少阻力等特点，也增加了进气效率。伴随着社会经济的日益发展。对进气歧管的要求也越来越高。要求需要配备有复杂的内部控制机构，为了能够进一步满足进气歧管的设计要求。使得发动机的动力性，经济性以及排放性能够得到进一步的提高，发达的工业国率先采用尼龙制造的进气歧管，紧接着美、韩等国相继开发了塑料进气歧管12。从此以后塑料进气歧管越来越受到人们的认可。不仅质量轻。内部光滑，而且阻力小。生产成本较低。 我国的塑料进气歧管发展比较曲折，早从20世纪90 年代初我国就开始摄入研究，开始先是从国外一些合资汽车企业引入先进的技术至国内。在这个过程中，进气歧管的核心技术由外资方控制，进口成本特别高，塑料进气歧管作为发动机的重要部件，在我国的发展受到了很大的阻力。后来慢慢的一些外资企业零部件生产商陆续在我国国内生产进气歧管。使我国有了很大的机会对塑料进气歧管的接触以至有了更大更深的了解。在这个阶段过程中，国外先进的的塑料进气歧管生产技术和生产线转入到我国国内，然后利用我国国内特别廉价的劳动力大批量的生产进气歧管，在利益的驱动之下，在我国国内的合资厂提供配套批量的塑料进气歧管。但是在这个阶段中进气歧管的设计和研发仍在国外进行。所以一些真正的制造技术我们仍然没有接触到核心。进步较为缓慢。经过大量的摸索和探究，国内汽车制造技术也有了很大提高，国内的部分企业开始了对塑料进气歧管的研发工作。因技术含量比较高，而其中包含了诸多的发动机方面的重要技术。国内的汽车企业没有完全的设计和生产发动机的整套技术的能力，所以都是仿制一些特别传统的塑料进气歧管，导致设计制造技术水平十分的落后，塑料进气歧管的功能基本无法实现。满足不了发动机的工作环境要求13,14。1.3.2 塑料进气歧管在当今社会中的发展优势 汽车工业发展的最主要的方向之一是能够实现汽车的轻量化，也是整个汽车行业和国家科技进步的重要标志。为了能够快速的满足汽车企业的发展和人们的需求，塑料进气歧管逐渐成为当今进气歧管的发展方向。其技术要求非常的严格，目前只有很少几个国家具有该项生产技术。但因为塑料进气歧管的制造成本十分低廉，质量较轻，内壁比较光滑，可以改进气体的流动性，提高进气效率，隔热效果也比较好等诸多的传统材料不具有的优点，因此受到了国内的主机厂和配套制造方的密切关注，通过数据预测未来塑料进气歧管在我国将有很大的发展空间15。其优势主要体现在以下几个方面： (1)轻量化：与传统的进气歧管相比，塑料进气歧管采用的是尼龙材料。其管壁较薄。其质量降低约为50左右。(2) 动力性提高：由于塑料进气歧管的内壁比其他材料的进气歧管光滑一些，其充气效率和充气量比传统的进气歧管也提高很多，比铝合金制造的的进气歧管的发动机动力性提高了3%到5%左右。(3) 制造成本低：塑料进气歧管可以一次性合成，其合格率比较高。生产方式主要采用注塑成型、成型工序比较少、生产效率高、加工周期短。 (4)排放性和经济性：燃油燃烧更加充分。塑料进气歧管的导热性比较低，气体的密度较高，经济性能就得到了较大的提高。 （5）降低噪声；现阶段塑料进气歧管目前采用的材料都是尼龙(PA)制成。能够有效的减振消声和并提高其耐磨性。满足现代城市的生活文明。 （6）环保：由于塑料进气歧管的内壁比较光滑、所以其进气较为流畅，燃料可以充分的燃烧，有效的减少了有害气体。1.3.3 塑料进气歧管的选材以及产品要求 因汽车企业周边的复杂环境条件的影响所致，塑料在汽车行业的发展速度十分缓慢。汽车行驶过之后停车的刹那间，温度都很高。因此，为了能够保证发动机的正常的使用寿命和汽车较好的使用性能。在选定塑料进气歧管材料的时候，一般需要注意材料应该满足以下几个条件16：(1) 耐高温：因为塑料进气歧管与发动机缸盖直接性地连接，发动机缸盖温度一般都很高。因此，进气歧管的材料通常要求能够至少耐180及以上的高温，通常采用尼龙制成。 (2)尺寸稳定性要好：按照有关要求，进气歧管上要安装各类元件，所以与发动机的连接处的尺寸公差必须符合相关的标准，所以对材料的要求是必须具有尺寸稳定性。 (3)强度要高：作为一种交通运输工具，在使用的过程中除了需要能够承受各种道路上飞沙的冲击敲打之外，还要耐得住汽车在运输过程中发动机的各种1振动和负荷并且起到支撑作用。对强度要求比较高。(4) 化学稳定性要好：由于塑料进气歧管在工作过程中需要直接接触油类物质和冷却液等各类腐蚀性物质，特别是汽油，是很强的溶剂，冷却液中的乙二醇腐蚀性物质会对塑料产生非常大的化学反应。所以塑料进气歧管材料必须要耐得住各种腐蚀，良好的化学稳定讯能有利于延长进气歧管的寿命，确保进气歧管在发动机中使用时各项性能能够发挥作用。 (5)良好的熔融流动性：由于这些零部件大都采用的是注塑成型，有的部件结构是十分的复杂的，截至目前，几乎所有的塑料进气歧管采用的材料都是尼龙PA6加2535的玻纤的增强塑料或者尼龙PA66加2535的玻纤的增强塑料。尼龙主要有以下几个方面的特点：耐高温、化学性质稳定，但是收缩率比非常大。并且容易吸水。吸水后的强度有所降低。为了改善这种不足因此需要添加玻纤来减小尼龙的收缩率。塑料进气歧管材料人们一直在寻找中，也一直在发展中，尽管各个国家一直在竭尽全力的研究开发中，但是截至目前为止尼龙还是最佳的选择材料17。1.3.4 塑料进气歧管的制造工艺塑料进气歧管在具备了其自身的优势之时，其制造工艺方法也比较多，每一种方法出来的效果也有差别。用过的最多的主要有熔芯法、摩擦焊法和热板焊法等方法。随着进步发展又相继出现了高温诱导焊以及热电阻焊等方法。熔芯法的应用比较早、也是比较成熟的一种生产工艺。它的主要优点是设计出来的进气歧管的内壁表面十分的完整光滑，气体的流动性能也比较好，一次性注塑成型。气密性能、机械性能都很良好。成品率高， 缺点是金属芯铸芯和熔芯过程中会消耗大量的能量，使得成本较高，不是很节约能源。摩擦焊法是利用两个待焊工件的接触面产生的摩擦热量能来使塑料快速熔化，两个工件表面产生相对位移并作振幅往复的移动，当达到预期的焊接程度之时，焊接好的部分冷却、固化，从而形成紧密地结合在一起。因其原理的特殊性，所以与熔芯注塑法相比较其生产效率高、成本低。但因是摩擦焊法使得焊缝处的强度比较低、导致气体的流动性相对其它焊接方法比较差。热板焊主要是因为对工艺要求性非常的高，其应用面比其它方法较为狭窄。综上所述最合适的制造工艺方法是振动摩擦焊，其生产效率比较高而且成本十分低18,19。已经大力投入使用。1.4 我国塑料进气歧管的发展状况以及潜在市场进气歧管作为发动机的最核心的零部件，一直以来受到了许多国内外专家学者的研究，新的排放标准对发动机进气歧管做出了新的要求，要求必须配备复杂的内部控制，塑料成为了发动机进气歧管最优最佳的选择材料。目前中国的一汽与BASF公司已经顺利完成了柴油机的塑料进气歧管的开发工作并且率先在红旗轿车上得以使用。这是我国历来第一次研发成功的首个工业化塑料进气歧管。 另外重庆宗申汽车进气系统有限公司一直致力于汽车进气歧管的研制和开发 ，其中一部分销往国外，另一部分则针对国内微车需要专门开发的。在国内一些整车企业开始试用该塑料进气歧管，吉利汽车远景商务轿车在国内率先试用塑料进气歧管，也代表了吉利目前最高的国内研发设计水平。中国的汽车工业的发展已经进入到一个高速的增长阶段，市场竞争也显得越来越激烈，如何能够减少汽车的制造成本且实现利益的最大化是诸多企业关注的核心，新材料新工艺越来越受到企业的关注和重视，而塑料进气歧管的需求量在随汽车的年产量的增多而增加，其市场前景非常大。产品的轻量化和原料的国产化是中国汽车企业一直努力的方向，为早日把质量、性能和档次上升一个新的台阶而努力。目前我国的塑料进气歧管生产研发主要集中在上海，宁波，京津唐地区。东北黑龙江等地区。1.5 本课题主要研究内容以及研究意义本课题主要是针对C14DVVT发动机的进气歧管进行设计和研究，通过查阅大量的参考文献，根据经验公式得出进气歧管的一些参数，根据分析计算出来的参数利用三维软件CATIA进行三维模型，然后将建立好的模型以STL格式导出进气歧管的计算域，接着把将出来的计算域导入到FIRE中进行分析，生成面网格、体网格，设置参数等等，生成进气歧管计算网格。建立歧管内气体的各种流动方程、采用合适的计算方法、对气体的流动进一步做数值模拟分析并且运算。最后得出各进气管道的质量流量、压力分布、速度参数，对各个管道的进气均匀性和流动阻力进行分析研究，对本次设计的进气歧管找出其不合理之处，最后进行一些改进建议。其过程具体表现为以下几个方面内容：1.对汽油机塑料进气歧管的结构功能研究分析以及管内流动特性的分析并提出改进意见。2.分析进气歧管的各个结构参数的变化对该款发动机性能的影响3.对设计的进气歧管的型腔进行三维流场分析探究通过对本次设计的进气歧管进行分析探究，将更有利于提高该款发动机的各种性能以及排放性能。对我国汽车的发展能够起到十分大的促进作用，让汽车更好、更安全的服务于人类社会。2 歧管结构尺寸的设计以及三维建模2.1 设计进气歧管所遵循的一般性原则为了能够使得进气歧管各缸的进气能够均匀一些，歧管的各个长度应该尽可能等长，也就是要求每个气道的中心型线的长度应该尽可能地保持等长，但是由于布置形式等以及众多因素的影响使得进气歧管的长度不能够等长。但是长度对进气歧管的影响是比较大的，也是关键性要素之一，所以在进气歧管的设计之时应该尽力地保证歧管长度近似等长。另外气道的截面面积和稳压舱的体积也都会影响进气歧管的各种性能。 由于上面的这几个参数都是由模拟计算的结果输入而得来的，所以在设计和建模之时确保这些参数准确，后面没有特殊原因将不再进行变动20。2.2 选定进气歧管的初始参数汽油机的进气系统一般情况下都装在发动机的前端，主要由空气滤清器，进气道和进气歧管等零部件组成。其进气歧管的结构形式取决于燃油供给系统，因为电控燃油多点喷射不会直接的影响混合气体的形成，特别是在变工时燃油出现的滞后现象，因此电控燃油多点喷射成为现在主流的供油方式。在开始进行歧管的设计时首先确定以下几个方面的参数：气道的长度L，气道出口截面积S1，节流阀体的入口截面直径1和稳压腔的体积V，其进气歧管基本的结构参数平面结构图如下图2.1所示 图2.1 进气歧管的结构参数示意图 2.2.1稳压腔容积的选定 经过查阅相关的资料和文献，结合歧管在发动机及整车上的布置形式，为了能够充分利用塑料优点，稳压腔的容积一般是0812倍的发动机排量21。结合此次设计的发动机的排量是1.4L，稳压腔容积V此次定为排量的1.2倍也就是1.68L，稳压腔的入口直径取70mm。 本次采用的是塑料进气歧管，稳压腔容积大小影响谐振效率，它可以利用谐振效应来提高歧管的充气效率，同时可改善各缸的进气均匀性，对非增压发动机具有很好的谐振进气的作用。2.2.2选定进气歧管的长度由于发动机的型号不同，其参数也不一样。对每一款发动机所匹配的参数下都存在一个最合适的歧管长，歧管长度影响进气效率。经过查阅相关资料根据压力波动态效应得知，理论情况下最佳的充气效率下所对应的发动机转速与气门发出的第一个疏波到反射回压缩波的间隔时间有关。在发动机的某一特定的转速区域内部，进气过程中所产生正向压力波能够让迸气结束之时气门处的压力恰好比正常的进气压力高一些，进气量比较充足。在型腔的设计中，需要考虑到进气的波动效应，让气流在最大扭矩点的转速附近能产生增压反射，以获得较好的惯性增压效果。歧管的长度在一定程度上受到发动机安装空间位置等因素的限制，设计中兼顾其对流量和歧管模具制作难易程度等带来的影响条件。经过分析决定此次进气歧管的长度L取400mm。进气歧管长度会对充气效率和进气效应等产生十分大的影响。在进气歧管型腔优化计算中，长度需要作为首个目标参数对其进行优化22。2.2.3选定进气歧管的直径经过大量查阅相关的资料得知：进气歧管的管径需要结合管道的摩擦效应以及管道的波动效应来综合进行选取。单纯的从管道摩擦效应影响的角度去分析研究，管道中的压力降大小跟管口直径四次方的倒数成正比例关系，因此为了使压力降尽可能小点，应该尽可能地增大管径23；但是从波动效果角度来看，为了增大波动的幅度则希望管径小以些，两者相互影响成为互斥的。为了能够进一步选取一个合适的值，现用公式法进行分析如下所示。从摩擦角度分析：管径的最小估算公式如下2.1所示： （2.1）上式中：d是气缸的直径，单位：mm；S为行程，单位：mm；n为汽油机的转速，单位：rmin。根据大量的实验数据。最佳的波动效果的管径计算公式如下所示： （2.2）式中：V为气缸的容积； 为了能够让进气歧管内油膜顺利蒸发，因此进气歧管的断面表面应该尽可能的做的大点。鉴因此原因大部分的进气歧管优先采用方形形状做成，从铸造工艺的角度进行分析，相比圆形，方形的铸造更简单一些。而从单片塑料注塑工艺的角度进行分析，半圆形断面更将便于油膜进行蒸发，又因为圆形断面相比半圆形断面以及方形断面的气流其阻力要小很多，使得进气管道不容易形成油膜，经过再三考虑希望得到更高的气流速度更利于油膜的脱落，此次发动机塑料进气歧管选用圆形断面比较合适24,25。管径采用方形形状。兼顾了功率和扭矩的之时，在本次设计进程中初次选泽歧管管径0.85倍的进气门直径，经过查参考文献，C140VVT汽油机的进气门直径为25.8mm.所以此次歧管直径取为22mm.还应特别注意一下歧管跟发动机缸盖进气道的结合处以及歧管所在的稳压腔上的布置形式26。接触长度50mm，宽为22mm，气道之间的间距等长，即L=L=L=30mm。2.3 歧管的结构功能分析 汽油发动机的进气歧管提供了辅助结构的安装位置，如执行器、部分传感器、油管、水管等，除了输送混合物的运输和分配外，还包括安装位置。今天，大多数电喷系统传感器安装在进气歧管上。因此对其结构功能分析显得十分重要。2.3.1 相关传感器的分析研究一般情况下，在进气歧管上安装的传感器主要有两个，分别是进气温度传感器与进气歧管压力传感器。其中之一的进气温度传感器主要作用是检测进入发动机的空气的温度，因为进气温度的变化会使气体密度发生变化，因此需要修正喷油量。为了使测量和校正准确，温度传感器安装在进气歧管上。进气歧管压力传感器主要用于测量进气歧管的压力。在发动机正常运转过程中，随着节气门开度的增加，进气量增加，进气歧管真空减小。压力传感器通过检测歧管内的压力来确定气缸的工作状态，以方便喷油和点火的精确控制。当通过气缸压力缸时，传感器应安装在进气管的第一个或第四个气缸内，并应靠近进气阀，便于准确判断气缸。可安装在进气总管和稳压腔上。这些传感器在进气歧管上的配置，除了匹配发动机中使用的控制系统外，还应考虑安装位置的横向力，最大限度地减少滑块和其它机构的运动。降低模具等其制作难度。2.3.2 燃油供给系统的分析研究多点喷射发动机的供油系统通常由燃油滤清器、油轨、燃油压力调节器和喷油器组成。而在进气歧管设计过程中燃油压力调节器、喷油器的安装的具体尺寸以及位置等都会对进气歧管的性能产生影响。各元素的作用和功能是不一样的，在油轨燃油均匀地分布到喷油器和燃油压力调节器调整燃油轨压力，由于实际系统的燃料供给率的变化和发动机进气歧管真空的燃料量的变化引起的干扰的清晰和缓冲。正常情况下，压力调节阀关闭，隔膜的一侧与燃油泵相连。而另一侧相通进气歧管。其目的是能够保证进气歧管与燃油泵的压力差不变。因此，在塑料进气歧管的腔体设计中，应考虑各部件的安装，以免干扰。2.3.3 排气净化器对进气歧管的影响 该排气净化器主要包括蒸发损失控制装置、曲轴箱通风装置和废气再循环装置。蒸发损失控制装置主要用于汽油机燃料时排放的蒸汽扩散到空气中，常用的活性炭作为临时存储的蒸汽空间，活性炭的通风孔在一定真空度的位置，足以确保均匀的油气混合物。其导入位置一般在稳压器的入口位置。为能够有效防止曲轴箱压力过高，采用曲轴箱强制通风装置。也就是说，进气管的负压使曲轴箱内的空气进入进气歧管和气体混合物进入燃烧室，然后燃烧。曲轴箱通风装置的设计原则时通风孔末端压力脉动尽可能小点，将通风孔导入位置放在稳压腔上，确保曲轴箱空气在气缸之间均匀分布。排气再循环装置在设计进气孔位置时应确保气缸内的气体分布均匀。2.3.4 真空助力器对进气歧管的影响真空室与制动主缸相连，以获得发动机进气歧管上的真空并与控制阀一起形成真空助力器。目的是能够有效地降低驾驶员的制动力。 当发动机运转时，真空阀打开，气门关闭。负压室中的气体吸入进气歧管中。踩下制动踏板后，真空阀关闭。空气阀打开。松开制动踏板，增压活塞被归位。气室与真空室连通，油压下降。制动作用解除。2.4 进气歧管的三维建模2.4.1 三维软件CATIA介绍CATIA是由达索飞机公司在70年代左右开发的高档CAD/CAM软件，CATIA是英文ComputerAidedTri.DimensionalInteractiveApplication（计算机辅助三维交互应用）的缩写。在中国目前由IBM公司代理销售。CATIA产品开发商达索航空是世界领先的航空航天集团企业，产品被称为幻影2000和阵风战斗机。达索航空成立于1981。它的发展非常迅速。现在在CAD/CAM领域和PDM中有着非常重要的地位，得到了社会各界的认可。其销售利润也迅速发展。从年初的一百万多美元到目前的近二十亿美元。公司人数也由原来的20人发展到现阶段的2000多余人。CATIA是CAD/CAM技术在CAD/CAM领域的领先供应商。广泛应用于航空、航天、汽车制造、机械制造、电力电子、消费品等行业。该解决方案涵盖几乎所有的产品设计和制造领域，CATIA提供了非常有利的条件，在几乎所有的工业机械部门的大，中，小型企业。包括从大型波音飞机，火箭发动机到化妆品包装，覆盖所有制造业。可以根据不同的尺寸定制不同的应用，为企业提供一个完整的解决方案。CATIA来自航天工业，但其强大的功能得到业界的认可，在欧洲汽车工业中，已经成为一个非常有用的软件。CATIA的领先用户包括世界制造业知名的制造公司，如波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等。在中国，CATIA也得到了广泛的应用。哈尔滨、沈阳、西安、成都、景德镇、上海、贵阳等。包括一汽集团、上海大众、北京吉普、武汉神龙，包括许多汽车公司都选择CATIA开发他们的新车型。CATIA是汽车工业的支柱，是欧洲、北美洲和亚洲许多顶级汽车制造商使用的核心系统之一。CATIA在造型风格、车身和发动机设计方面具有独特的优势，为不同用途的车辆设计和制造提供端到端的解决方案。它涉及产品、加工和人的三个关键领域。CATIA的可扩展性和并行工程能力显着降低上市时间。 2.4.2 CATIA建模用CATIA三维建模，按下CATIA中的中键和Ctrl键旋转模型，不同的角度截图如下所示 。图2.2 进气歧管三维图(a) 图2.2 进气歧管三维图(b) 图2.2 进气歧管三维图(c)2.5 本章总结本章主要根据查到的经验公式以及数据确定了该款发动机进气歧管的基本结构参数，经过综合考虑进气歧管的安装位置和设计原则对进气歧管的结构尺寸的影响，选定进气歧管的主要结构参数如下，稳压腔的容积为L为1.68L，入口直径为70mm，歧管长度L为400mm，形状做成方形，长为50mm，宽为22mm，倒角半径分别为9mm和2.5mm，气道的间距L=L=L=30mm，初步分析了进气歧管的结构参数对发动机各项功能的影响。对三维软件CATIA的发展历程做了一定的介绍并利用该软件对进气歧管进行了三维建模。3 进气歧管流量分析与设计3.1 用流体动力学控制方程分析3.1.1 质量守恒方程 首先，通过质量守恒定律分析了质量守恒定律，对于流动性问题，应满足质量守恒定律。进气歧管是发动机的重要部件，是气体流动的重要管道。最终把气体均匀地分配给各个气缸。在进气歧管中内部，质量守恒定律可以简单地表示为：在单位时间内。所选歧管（控制体）的气体减少量等于流出歧管控制体的气体的质量。即流体的连续性方程。公式如下3.1所示 (3.1)引入矢量符号: (3.2) 将式(2.1)写成向量形式: (3.3) 式(3.1)至(3.3)中,为密度;t为时间;、和是速度矢量u在x、y和z方向上的分量。3.1.2 动量守恒(N.S方程)方程 动量守恒定律是任何流动系统必须遵循的基本规律之一。 该定律可表述为：在微元素中，流体动量的变化率等于作用在微元上的力之和。该定律就是牛顿第二定律的另外一种形式。根据这一定律，可导出x、y和z方向的动量守恒方程： （3.4a） （3.4b） （3.4c） 方程（3.4）是流体中的动量守恒方程，简称动量方程，又称运动方程，3.1.3 能量守恒方程能量方程的守恒定律也被称为热力学第一定律。是流体力学系统必须满足的基本规律之一。该定律可简单表述为：在微观物体中，能量的增加率等于将流体的热流动转化为微观物体，用物理和面部的力作用在微机体上完成。假设质量在流形上，在一定的时间内，经过dt时间段移动ds，可以看出外力之间的关系。 （3.5） 假定管内为不可压缩定常流动，选取一个控制体，1和2分别是进气歧管控制体进出截面的速度，p1和p2分别为气体流入和流出截面的的压强。根据不可压缩流体的伯努利方程 （3.6） 从上面的方程中可以看出，管道中切向应力的摩擦功消耗了流体的机械能并转化为内能。为了克服粘性阻力，其机械能逐渐减小，总水头逐渐减小。其由于在管内部。气流质量变化较小。因此气体流动过程中的位能可忽略不计。若截面积大小A1=A2。则有 ，根据牛顿摩擦定律，速度梯度越大，剪切应力越大，粘性力越大。3.1.4 歧管沿程能量的损失分析在缓慢的过程中损失的大小与流动状态的有着密切的关系，根据雷诺测试，在层流中沿路径的损耗跟平均速度成正比关系，湍流中和速度的1.75.2次方成正比例关系。用如下公式所表示 （3.7） 从上述公式来看，管道越长，直径越小损失的能量也就越多。因此对于进气歧管来说，直径在合适的范围内直径应该尽量大点。歧管的长度在有效的范围内应该越小越好。3.1.5 歧管的局部能量损失 在发动机中，由于管路较短，且塑料管壁相对光滑，因此沿途的损失很小，局部损失成为最重要的损失，由一系列局部阻力叠加而成。跟歧管的曲率半径，截面变化以及雷诺数有关系，在管中，通常用下式表示 （3.8）最后根据经验数据以及大量的实验证明总结了进气歧管能量损失分布大约如下表所示表3.1 歧管能量损失分布 发生能量损失的位置能量损失所占的百分比（%）摩擦损失12%进气总管入口2%节气门连接处2%节气门体9%稳压器入口4%进气歧管入口52%歧管弯曲部位18%3.1.6 进气歧管曲率半径对能量损耗的影响在进气歧管弯道处流速处，由切应力产生的沿程损失和漩涡产生的损失。在弯道处。内测流速大，外侧流速小，根据牛顿第二定律可得出曲率半径与流线上的速度v的关系。 （3.9）式（3.9）中C为积分常数。 由此可见。在弯道流速的主法线上，随着曲率半径的减小，速度在增加，所以弯道处内测速度高，外侧速度。在横截面速度分布梯度的正方向上，能量损失也较大，截面有效利用率相对较低。进气歧管弯曲处压力损失公式可表示为如下（2.10）所示。 （3.10） 由上面分析得知，歧管的弯曲会减少压力波，有时可能也会发生波的反射。所以在这个设计过程中应该让轴的曲率半径小点，并保持流形的平稳过渡。3.1.7 进气歧管截面面积的变化引起的损失 进气歧管截面积变化引起的损失主要有以下几个位置，歧管的进出口，截面面积的突然减小和逐渐缩小三种方式。在进气歧管的型腔设计时，对于进气歧管的管道进出口，应该尽可能的加大稳压器与各歧管入口之间的圆角。以减小局部阻力损失。对于截面积逐渐减小的管道。没有流线脱离壁面等问题。收缩角越小，截面积变化越小。在歧管设计过程中，截面面积应平稳过渡。对于截面面积突然减小的管道，流体通过大直径管道从小直径管道流出，流线弯曲，流量必须收缩。流体在管道流量突然减少前膨胀。能量损失主要由以下两部分组成。 （3.11） 从分析中可以看出，管段的突然减小造成的能量损失较大，导致断面能量有效利用率的降低。在设计时应该尽可能的避免截面面积突然减小这种现象。3.1.8 湍流流动方程 结合管内流量不大的特点，对歧管湍流进行仿真，提出双向模拟管内湍流。计算稳定性高，计算资源要求低，成本低。近壁区采用标准墙体功能。 湍流动能输运方程（方程） （3.12）涡流耗散率输运方程（方程）（3.13） 联立以上两个方程组得封闭控制方程。3.2 CFD概述 CFD，计算流体动力学，是流体力学的一个分支，简称CFD。CFD是现代流体力学、数值数学和计算机科学的产物。它是一门具有强大生命力的交叉科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化数学方法进行数值实验，计算机模拟分析各种流体力学问题，解决各种实际问题。计算流体力学（CFD）是一种基于计算机的数值计算和图像显示，包括流体流动和热传导相关物理现象的系统分析。CFD软件的数值模拟基本上与流体运动的数值模拟相同。将流体的控制方程用有限体积法分离到空间中，然后用迭代法求解各点的控制方程，离散后计算出该区域各点的流动参数。通过数值模拟，对基本物理量的分布（如压力、速度、浓度、温度等）在复杂问题可以得到流场的不同位置，以及这些物理量随时间的变化可以用来确定涡的分布特性、空化特性及脱流区。3.3 AVL FIRE软件简述 AVL公司是一个有信誉和声誉在世界汽车技术公司，组成发动机行业。本公司成立于1948，是一家简陋的设计工作室，今天已发展成为集科研、设计、开发、咨询和发动机测试生产为一体的跨国高科技企业。总部设在格拉茨州，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营公司。同时也是世界上最大的从事内燃机设计、开发、动力传动系统研究和分析的相关测试系统及设备开发制造公司。 极其友好的用户界面和一流的网格生成技术和解决方案，通过类似于办公软件界面的用户界面的用户越来越多的三块结果加工一体化的火灾，具有简单明了，易于学习和掌握的特点。网格生成过程由导航程序引导，并且有不同程度的自动生成。用户可以实现各种形式的局部网格细化，并能快速生成移动网格。对于更复杂的几何图形的任何一个，可以自动生成六面体网格的27。3.4 用FIRE进行分析计算首先打开Fire ，其软件界面(Fire2008) 如下图3.1所示图3.1 CFD Tools 窗口点击CFD Manager按钮， 进入界面，显示如下图3.2所示界面。 图3.2 CFDWM 窗口3.4.1 划分网格 使用混合网格分区工具，它包括一个完整的自动网格生成器。 （1）内表面网格的生成。 从CATIA中抽取模型的内表面计算域。，以STL格式导出，导出来的文件大小约为1.5M左右，STL格式用二进制格式输出， （2）创建表面网格。 在上图页面中右击Meshes，选择Import，再找到模型保存的路径，确认，出现如下图3.3页面所示便表面网格。 图3.3 表面网格 （3）生成特征的边缘线网格； 线网格是用户定义在表面网格上所生成的特征边缘线。为生成精确的体网格，在形状尖锐的区域必须生成相应的边缘线网格。用CFD 提供的自动生成线网格工具 Auto Edge。生成的线网格如下图28。 图3.4 线网格 (4) 建立Selections；选中表面网格，同时考虑到使用的气体流量需要从入口到四个出口，所以建立六个Selection，分别用来定义入口、出口和各缸的各个出口为BC_inlet，BC_outlet,out1,out2,out3,out429,30。 (5) 划分网格，得到下面的体网格；如下图3.5所示。 图3.5 生成的体网格 利用网格划分工具Create Mesh，选择Hybrid Assistant，然后设置参数，经过综合考虑体网格的质量和后续的运算速度等问题31,32，设置生成网格的最大尺寸约为0.0025。 （6）检测体网格的质量；网格的质量是非常重要的，它的计算对正常和计算的时间和精度有很大的影响，如果有负网格时，解算器就无法启动计算。因此，需要对网格质量进行必要的检测33。 检查结果如下图3.6所示。从图看出，由于所需检查列中的所有选项的数目是0，所以生成的网格的数量是好的，总网格数为387349，适当的数量，不需要进一步优化。 3.4.2 计算参数设置 （1）生成新的case； （2）定义计算时的输入的数据； 运行模式选择稳态，边界条件BC1，输入以下数据，如下图3.7所示。 图3.6 体网格的检查结果图3.7 边界BC1数据 插入新的一个边界BC2，输入的参数如下图3.8所示。图3.8 边界BC2数据 对于纯空气，流体的属性选择AIR。完成上述步骤后，再设置初始的条件，初始条件对收敛性的快慢有着比较重要的影响。输入的数据如下图3.9所示。图3.9 初始条件的设置窗口Solver Control控制器求解的参数的输入对离散项的设置，参数的设置如下图3.10所示。 图3.10 离散项设置Equation Control方程控制参数的输入如下图3.11所示。图3.11 方程控制参数 由于进气歧管气体是冷流体，所以不需要求解能量方程。松弛因子可以控制每个方程的收敛速度。Underrelaxation factors低松弛因子的设置如下图3.12所示。图3.12低松弛因子的设置Differencing Schemes差分格式为了能够实现计算精度和收敛之间的折衷，混合因子被用来擦风的高阶格式。为了保证质量守恒的连续性方程，需要选择中心差异，混合因子定义为1，即二阶差，输入参数在图3.13所示。图3.13 差分格式Linear Solver线性求解器在线性方程组的解，加快速度和最优解收敛的稳态计算和时间不长的计算，与伽利略系统试验平台的分析，因为它具有很强的稳定性，选择线性求解器，然后输入以下参数，如图3.14所示。 图3.14 线性求解器Convergence Criteria收敛标准和标准的残差进行比较的，基本规则是标准残留需要下降到三至四个数量级。最大迭代次数影响计算时间和计算结果的精度，设置最大迭代步数为1000，参数设置如图3.15所示。图3.15 收敛标准参数的设置窗口Output Control输出控制2D结果输出中激活Flow quantities, Turbulence quantities和Wall summary选项。 选择Write restart file，输入：输出频率200 选择Write backup file，输入：输出频率 100选择进口和出口的监控点的位置。选择完后出现如下图3.16所示。图3.16 结果监控点的坐标（3） 开始计算 开始计算，右键单击case，选择Start Calculation，（4）Monitoring the Calculation计算监控在过程中，对所选网格的各种参数和残值进行观测，信息储存在文件中。选择Monitor选项，显示的是网格单元残值的二维图像。选择Data选项，显示网格单元迭代步上的残值。3.4.3 结果分析 （1）对质量流量模拟结果进行分析 根据入口压力，出口压力对各歧管进行分析，比较质量流量，分析进气的均匀性。各歧管质量流量如下表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压差下最大不均匀度 outlet1234 计算流量（g/s)46.4948.4748.6948.92 (g/s)48.14E(%)5.0 从表4.1中可以看出，进气歧管具有良好的进气均匀性，OUT1的流量略低于其他三个，可能是由于以下原因：歧管的位置太近，与流形的速度是比较高的，在进气风的方向进入时，它流经出口1，结果有一个较大的涡流（湍流），造成较大的压力损失，当气流进入谐振腔较深，局部流场梯度减小，湍流减弱，所以其他三个出口压力相对于前面的较小。整体进气均匀性较好，满足设计要求。（1） 进气歧管的压力场分析对各个出口开启时的case依次做压力分布的表面切片，得如下图3.17所示各缸分别工作时的压力分布。 图3.17 开启时的压力分布从上图的结果中可以看到除过歧管与稳压腔的连接处以外，各管道压力分布是比较均匀的，压力基本都在100000到100150Pa之间。变化较小，认为是比较均匀的。而在歧管和稳压腔的连接处的压力分布不太均匀，经过探究得知主要是因为此处的弯曲半径有些大，致使气波压力变化有点大出现压力分布不太均匀而已。(3) 进气歧管速度场分析 对各歧管出口开启时的case依次做速度分布的表面切片。得到如下3.18所示的结果。图3.18 速度分布图从上图中可以看到，各管道速度分布是比较均匀的，速度基本都在14m/s到16m/s之间。变化很小，认为是均匀的。由于进口与稳压腔平行，当各出口开启时，气体进入稳压腔前端的速度场分布几乎一致。但由于出口位置的不同，造成稳压腔内的速度场分布有较大区别。outlet1开启时，在稳压腔的末端即outlet1歧管与稳压腔的连接处形成较大的涡流而损失能量，导致outlet1的流量偏小。outlet2、outlet3的速度场分布与outlet1近似，且均在歧管与稳压腔连接处位置产生涡流，但涡流大小依次减小，从而使出口的流量有所增加。图3.19 各歧管迹线分布通过本次分析结合表3.2中的数据得知，歧管的平均流量为48.14g/s，而靠近稳压腔入口的第一个歧管的流量为46.49g/s，其它三个歧管的流量基本分布在48.5g/s左右。最大的不均匀度为5%。从上面的图3.19可以看的更清楚，在不同的气缸工作时。各歧管中迹线方向基本相同。速度的大小基本上在16m/s左右。因为进口和稳压腔平行于气体压力容器的速度场的前面，分布几乎是相同的。然而，由于出口位置和歧管与调节室连接半径的不同，连接部位附近的速度场分布十分明显。可以看出，内部流动的歧管流量比较均匀，进气歧管和稳压腔连接的弯曲角度过小，导致靠近稳压腔一侧的一小块区域流量较小。基于图3.18图3.19所示的结果，进气歧管内流场比较稳定，没有较大的涡流区域发现满足设计要求。3.4.4 提出相应的改进意见总之，通过对压力场分布和进气歧管的速度场分布的分析，可以发现，由歧管和稳压腔引起的压力和速度变化的主要原因是，弯曲半径小了一点，所以为了塑料进气歧管压力和速度变化更均匀，以避免上述不良结果，将各歧管的支管与稳压腔两者过渡部位的角度稍微做大一些，并稍微增大该连接处的管径，过渡部位设计的尽量圆润一些，让气体经过的时侯湍流度逐渐减小，保证进气更加顺畅。3.5 本章总结 本章主要通过流体力学从能量的角度对