摘 要

进气系统作为发动机与外界连接的“桥梁”，为发动机提供燃烧所需要的空气。而对于FSAE赛车来说，由于赛事对发动机的功率与进气限流方面做出了严格的限制，所以如何通过改进进气系统来最好地发挥出赛车的动力，已然成为各大车队重点关注的问题。本文将针对FSAE赛车的进气系统进行仿真与分析，设计一款性能优异的进气系统，并对FSAE赛车的进气设计提供一定的参考意见。

本文首先介绍了FSAE赛事的起源与发展，引出该项目的实行意义，并介绍了国内外关于FSAE赛车的发展现状。然后阐述了对FSAE进气系统研究的主要研究思路与方法。

其次通过理论来分析进气系统内的流体动力效应和进气系统内的能量损失因素。流体动力效应分为惯性效应和波动效应，分别对当前进气行程和下一进气行程产生影响，合理的利用该效应可以对进气有增压效应，提高进气效率。能量损失因素分为沿程损失与局部损失，沿程损失主要发生在进气管内，局部损失主要发生在截面积变化处。这些理论为后文的仿真分析提供理论基础。

然后通过对两种常用的进气布置形式进行对比分析。将侧进式进气与顶置式进气进行比较，分析优劣后选择了侧进式进气。且为了限制稳压腔内的气流流动，做了进气管部分内置的设计。再从理论上确定进气系统的基本参数，确定了稳压腔体积是3.5L，进气管总长为300mm，限流阀前锥角为40°。并通过CATIA，建立了进气系统初步的三维仿真模型。

最后使用Ansys DM，Ansys ICEM等软件对模型进行前处理，借助FLUENT三维流场仿真软件对模型进行仿真。着重对限流阀后锥角度数和内进气管的长度进行仿真。选取后锥角为6°，7°，8°，9°四个角度，内进气管长度为250mm，150mm，50mm三个长度作为分析对象，通过分析他们的最大压力、质量流量与进气均匀度。得到限流阀后锥角为6°和内进气管长度为250mm为最佳值，完成进气系统设计。并将分析得到的数据与往年车队数据做对比，证明设计对FSAE赛车进气系统的设计有一定的指导意见。

关键词：FSAE进气系统；FLUENT；流场分析；评价标准；进气管内置

Abstract

The air intake system acts as a "bridge" connected to the outside of the engine, providing the engine with the air needed for combustion. For the FSAE racing, because the strict limit race on the engine power and air intake, so how to improve the intake system to best-play the driving force of the car has become the major focus of the racing teams. The simulation and analysis would be made on the FSAE racing air intake system to design an outstanding intake system, and provide some reference on the FSAE car intake design.

First, the introduction on the origin and development of the FSAE competition leads to the implementation of the project. Then the article introduces the development of the FSAE at home and abroad, which inspires the main research ideas and methods of this design.

Secondly, the fluid power effect in the intake system and the energy loss in the intake system are analyzed theoretically. The hydrodynamic effect is divided into inertial effect and fluctuating effect, which influence the current intake stroke and the next intake stroke respectively. Reasonable use of this effect can increase the intake efficiency by increasing the intake efficiency. The energy loss factors are divided into loss and local loss. The loss mainly occurs in the inlet pipe, and the local loss mainly occurs at the change of the cross-sectional area. These theories provide the theoretical basis for the subsequent simulation analysis.

And then through the two commonly used air intake layout for comparative analysis. The side inlet intake and overhead intake are compared, the analysis of the pros and cons after the choice of side into the air. And in order to limit the flow of airflow within the regulator chamber, the intake pipe part of the built-in design. Theoretically, the basic parameters of the intake system are determined, the volume of the regulator chamber is 3.5L, the total length of the inlet pipe is 300mm, and the front cone angle of the current limiting valve is 40 °. And through CATIA, the initial three-dimensional simulation model of intake system is established.

Finally, Ansys DM, Ansys ICEM and other software are used to pretreat the model, and the model is simulated by FLUENT three - dimensional flow field simulation software. Focusing on the limit valve after the number of angle and the length of the intake tube to simulate. The depth of the inner trachea is 250mm, 150mm and 50mm. The maximum pressure is analyzed, and the mass flow rate is equal to that of the air inlet. degree. Get the end of the valve after the cone angle of 6 ° and the inlet length of 250mm for the best value to complete the intake system design. And the analysis of the data obtained with the previous year to compare the data to prove that the design of the FSAE racing car intake system design has some guidance.

Key words: FSAE intake system; FLUENT; Flow field analysis; Evaluation standard; Built-in Intake pipe

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究课题的背景与意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的主要研究内容 3

第2章 进气系统的理论分析 4

2.1 进气系统充量系数的影响因素分析 4

2.1.1 进气系统内的流体动态效应的研究 4

2.1.2 进气系统几何参数对充量系数的影响 5

2.2 进气系统的能量损失分析 5

2.2.1 管中总能量损失 5

2.2.2 进气管中的沿程损失 6

2.2.3 进气管中的局部损失 7

2.3 本章小结 8

第3章 FSAE赛车进气系统建模及流场参数设计 9

3.1 FSAE赛车进气系统的仿真模型的建立 9

3.1.1 进气系统的布置 9

3.1.2 进气系统的进气总管的设计 10

3.1.3 稳压腔的设计 13

3.1.4 三维建模流程与思路 13

3.2 流体动力学的控制方程 14

3.2.1 动量守恒方程 14

3.2.2 能量守恒方程 15

3.2.3 质量守恒方程 15

3.2.4 三维湍流模型简介 16

3.2.5 湍流流动的基本介绍 16

3.2.6 湍流流动的计算方法 16

3.2.7 湍流模型的介绍 17

3.3 模型的流体域抽取和网格划分 18

3.3.1 流体域的抽取 18

3.3.2 对三维模型网格的划分 18

3.4 FSAE赛车进气系统流体分析模型的边界条件设置 20

3.4.1 进出口条件设置 20

3.4.2 壁面条件设置 21

3.5 本章小结 21

第4章 FSAE赛车进气系统三维流场仿真分析 22

4.1 FSAE赛车发动机限流阀的仿真分析 22

4.1.1 限流阀锥角为5°时的分析 23

4.1.2 限流阀锥角为6°时的分析 24

4.1.3 限流阀锥角为7°时的分析 25

4.1.4 限流阀锥角为8°时的分析 26

4.1.5 限流阀锥角为9°时的分析 27

4.1.6 四个角度的限流阀对比分析 28

4.2 FSAE赛车发动机进气管的分析 29

4.2.1 内部进气管为250mm时的流场分析 29

4.2.2 内部进气管为150mm时的流场分析 31

4.2.3 内部进气管为50mm时的流场分析 32

4.2.4 对三个长度的内部进气管的对比分析。 33

4.3 FSAE赛车进气系统分析 34

4.3.1 进气系统的优化后参数与模型 34

4.3.2 进气系统速度场的仿真分析 34

4.3.3 进气系统速度矢量的仿真分析 35

4.3.4 进气系统压力场的仿真分析 36

4.3.5 对进气系统进行评估 37

4.4 本章小结 37

第5章 全文总结与展望 38

5.1 本文总结 38

5.2 展望 38

参考文献 40

致谢 41

第1章 绪论

1.1 研究课题的背景与意义

FSAE，英文全称是Formula SAE，中文名为大学生方程式汽车大赛，比赛目的是让学生自主设计并制造出一台可以量产的小型赛车。该赛事自1980年于美国德克萨斯州的奥斯丁大学举办的第一届比赛，到现在已经发展了三十多年了，在全球各地都有分站赛，如德国的FSG，美国的FSA等等。而中国站的比赛（FSC），于2010年由中国汽车工程协会主办，在上海F1赛车场成功举办。此后每年举办一次，到2016年，已经是第七届比赛了。这七年里，参赛车队从只有20所院校参赛，到2016赛季多达80支车队同场竞技，FSAE赛事的影响力与日俱增。

而对于一辆优秀的FSAE赛车来说，一款性能优异的发动机是必不可少的。而FSC规则委员会出于对安全的考量，对发动机的排量等参数有限制。发动机排量不得超过600cc；进气系统中必须安装一个直径不超过20mm的限流阀，以限制发动机的功率输出，保障学生赛车手的安全。所以如何在满足规则的限制下，最大程度发挥发动机的动力，已然成了每年赛车设计的着重考虑的问题。而对于本科学生来说，制造或者改造一款发动机，无论从技术还是加工工艺上来说，都是十分困难的。所以一般都是对其进排气系统进行改进优化，而优化进气系统，可以直观地提高发动机的充量系数，提高发动机的输出扭矩，优化发动机的进气性能，对进气阻力、充气效率、各缸进气不均匀性有非常重要的影响。因此，深入研究影响发动机进气效率的影响因素，模拟仿真气体的流动特性，以此来设计出一套尽量减少因加装限流阀带来的进气效率和功率低下的影响的进气系统，可以对进气系统的设计与改进提供重要的理论指导与建议，有很强的工程价值；对我校FSAE赛车的设计也有一定的借鉴意义。

1.2 国内外研究现状

在国内，有许多有FSAE赛车队的高校都对进气系统进行了分析，对FSAE赛车进气系统的设计有较好的指导与参考价值。