摘 要

发动机被称为汽车的心脏，作为汽车的核心部件，其性能的好坏是汽车工作过程中的最重要因素。在发动机中，气缸内的工作是一个尤为重要并且十分复杂的过程，发动机的工作过程主要包括四个冲程：进气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程，本文只针对发动机四冲程中的排气冲程进行研究，利用实验的方法运用软件对发动机的排气冲程做数值仿真。

在本文中，我们主要对两个排气道模型进行模拟分析，采用CFD技术对发动机排气道进行模型构造，设计优化。通过对两个不同排气道模型的对比分析,比较两者在相同进出口压差的情况下排气系统内部的压力场、速度场等的分布情况，并进行了不同气门升程下的具体流场分析。通过模拟仿真及相应的后处理，发现不平行气道排气模型的排气性能较为优越。在不同气门升程的排气模拟中看出，缸内的复杂流动情况对排气过程有着不可忽视的影响，合理组织缸内气流运动，有利于提高排气的流畅性。另外发现，随着气门升程不断增大，排气效率也随之增大，因此也要缩短气门开启及关闭的时间，保证气门最大开度的停滞时间，从而保证较高的排气效率。

关键词：汽油机；排气道；CFD；数值模拟

Abstract

The engine is known as the heart of the car, as the core components of the car, its performance is good or bad car work in the process of the most important factor. In the engine, the work of the cylinder is a particularly important and very complex process, the engine work process includes four strokes: intake stroke, compression stroke, work stroke, exhaust stroke, this article only for the engine four strokes Exhaust stroke to carry out research, the use of experimental methods to use the software on the engine exhaust stroke to do numerical simulation.

In this paper, we mainly analyze the two exhaust model, and use CFD technology to model and design the engine exhaust. Through the comparison and analysis of two different exhaust duct models, the distribution of pressure field and velocity field inside the exhaust system under the same inlet and outlet pressure difference is compared, and the specific conditions of the valve Flow field analysis. Through the simulation and the corresponding post-processing, it is found that the exhaust air performance of the non-parallel airway exhaust model is superior. In the simulation of different valve lift simulation, the complex flow in the cylinder has a significant effect on the exhaust process, reasonable organization of cylinder air flow, is conducive to improving the exhaust fluid fluency. Also found that with the valve lift continues to increase, the exhaust efficiency also increases, so it is necessary to shorten the valve opening and closing time to ensure the maximum opening of the valve stagnation time, thus ensuring high exhaust efficiency.

Key Words：gasoline engine；exhaust manifold；CFD；simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 本课题的国内外研究现状 1

1.3 本课题主要研究内容 2

第2章 CFD模拟理论及方法介绍 3

2.1 概述 3

2.1.1 计算流体动力学简介 3

2.1.2 发动机缸内气体的主要流动方式 3

2.2 Fluent概述 3

2.3 流动与传热问题的控制方程 4

2.3.1 连续性方程 4

2.3.2 动量方程 4

2.3.3 能量方程 5

2.4 本章小结 6

第3章 气道稳流数值模拟计算 7

3.1 气道-缸盖的几何参数及布局 7

3.2 几何模型及其网格划分 8

3.3 模拟分析条件 9

3.4 本章小结 10

第4章 排气道稳态流动数值模拟及分析 11

4.1 不平行排气道模型流场分析 11

4.1.1 速度场分析 11

4.1.2 压力场分析 12

4.1.3 湍动能分析 14

4.2 平行排气道模型流场分析 14

4.2.1 速度场分析 15

4.2.2 压力场分析 17

4.2.3 湍动能分析 19

4.3 两气道模型流通性能对比 20

4.4 本章小结 20

第5章 不平行气道不同升程下的流场分析 21

5.1 速度场分析 21

5.2 压力场分析 23

5.3 质量流率分析 24

5.4 本章小结 25

第6章 总结与展望 26

6.1 总结 26

6.2 展望 26

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

汽车是一个国家科技能力体现的主要载体。而随着国家经济的迅猛发展，我国汽车行业也进入了高速的发展时期。但中国汽车现今只在汽车市场和汽车保有量方面位居前列，在设计风格和核心技术方面还缺少世界水准，我国在汽车高科技性能等一些顶尖领域的表现使我们处于一种尴尬的局面。汽车年产量处于全球领先地位的中国在世界汽车舞台上只能扮演“配角”。因此，提高设计水平，形成自主开发产品的能力和中国汽车特有设计风格和品牌，关系到汽车行业发展的全局和长远规划。

发动机作为汽车的核心部件，也成为了汽车开发设计的关键。由于进、排气道的结构和性能是影响发动机工作过程的重要因素之一，因此进、排气道的结构设计与分析是多气门发动机开发过程中的关键技术之一。而气道的传统设计方法周期长、成本高、见效慢，利用CFD技术可以对气道的三维模型进行流场模拟，并进行可视化显示，使设计者能更加直观地了解并判断所求流场形态是否满足设计要求^[1]。