摘 要

进气道的几何结构对于缸内流动的组织和进气充量有着重要的影响，而这直接关系到发动机的整体性能。传统的气道开发方法效率低，成本高，研发周期很长。而与之相比，基于CFD技术的开发方法不但可以获得较为全面准确的参数，而且工作效率有了很大的提高，大幅度降低了成本。

本文主要以某型柴油机的双切向进气道和混合型进气道为研究对象，通过CATIA建立其三维模型并利用ICEM对模型进行网格划分。基于CFD软件Fluent对进气系统的通过合理简化后的进气过程进行模拟分析。求解器计算结果通过后处理软件CFD-post来显示，得到进气过程中进气系统内部速度，压力和湍动能的分布情况。为了全面分析混合气道进气过程，本文模拟了2mm,5mm,8mm三个气门升程下进气系统内部进气流的各个参数。

将两型进气道分析结果进行综合对比发现，带有螺旋进气道的混合型进气道能够显著提高气缸内部湍动能，且并没有对气道流通能力产生显著影响。根据混合气道全面的分析结果对其进行优化并重新分析，结果显示改进措施有效的降低了气门处的节流作用和气道的流动阻力，有效提高了流量系数。本文的分析结果不仅可以为气道的优化提出了指导方向，也为进气策略的设计提供了理论依据。

关键词：发动机；进气道；CFD；数值模拟

Abstract

The geometrical structure of the inlet has an important effect on the flow and the intake charge in the cylinder, which is directly related to the overall performance of the engine. The traditional airway development method is inefficient, high cost, long research and development cycle. Compared with the CFD technology development method can not only get more comprehensive and accurate parameters, and the work efficiency has been greatly improved, significantly reducing the cost.

In this paper, the three-dimensional model of CATIA is established by using the double tangential inlet and mixed inlet of a diesel engine, and the model is meshed by ICEM. Based on the CFD software Fluent, the air intake system is simulated and analyzed. The calculation results of the solver are shown by the post-processing software CFD-post, and the distribution of velocity, pressure and turbulent kinetic energy in the intake system is obtained. In order to comprehensively analyze the air intake process of the mixed airway, this paper simulates the parameters of the intake air flow inside the intake system of two-valve opening degree of 2mm, 5mm and 8mm.

The results show that the mixed inlet with helical inlet can significantly improve the turbulent kinetic energy in the cylinder and do not have a significant effect on the air circulation capacity. According to the results of comprehensive analysis of the mixed airway, the optimization and reanalysis were carried out. The results show that the improvement measures can effectively reduce the throttle effect at the valve. The results of this paper can not only provide a guide for the optimization of airway, but also provide a theoretical basis for the design of intake strategy.

Key Words：engine; inlet manifold; CFD; numerical simulation

目 录

第1章 绪 论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 发动机进气系统CFD技术国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容 2

第2章 理论基础 4

2.1 CFD基本概述 4

2.2 Fluent软件简介 4

2.3 流体流动的控制方程 5

2.3.1 气体流动质量守恒方程 5

2.3.2 气体动量守恒方程 5

2.3.3 气体流动的能量守恒方程 5

2.4 进气的湍流特征 6

2.5 气道评价方法 6

2.5.1 流量系数计算 6

2.5.2 涡流比计算 7

2.6 本章小结 8

第3章 双切向进气道CFD计算 9

3.1 双切向进气道三维模型建立 9

3.2 CFD数值模拟初始条件设置 10

3.3 最大气门升程流场分析 12

3.4 气缸不同横截面速度矢量图分析 13

3.5 正视截面气流速度分析 14

3.6 进气系统气体压力分析 16

3.7 进气道湍动能分析 17

3.8 本章小结 18

第4章 混合进气道数值模拟 19

4.1 混合气道模型 19

4.2 混合气道迹线分析 19

4.3 混合气道压力场分析 20

4.4 混合气道速度矢量分析 22

4.5 混合气道湍动能分析 24

4.6 两型进气道性能对比 25

4.7 本章小结 27

第5章 混合气道不同气门升程下的CFD计算和分析 28

5.1 不同气门升程压力分布分析 28

5.2 进气系统速度分布分析 31

5.3 不同气门升程湍动能分布和质量流率分析 33

5.3.1 湍动能分布 33

5.3.2 不同气门升程下混合气道质量流率分析 35

5.4 本章小结 37

第6章 混合气道优化 38

6.1 结构优化方案 38

6.2 优化后模拟结果分析 40

6.2.1 改进前后系统的压力分布对比 40

6.2.2 改进前后系统的湍动能分布对比 41

6.2.3 改进前后流量系数对比 42

6.3 气门锥角的选择 43

6.4 本章小结 45

第7章 总结与工作展望 46

7.1 总结 46

7.2 工作展望 46

参考文献 48

致 谢 50

绪 论

1.1 研究的目的及意义

随着经济社会的发展，中国的汽车产业也迅速发展，国内汽车保有量快速提高，而汽车尾气带来的大气污染也给人们日常生活带来较大困扰，国家也为了解决这个问题而颁布了越来越严苛的排放法规。与全球其他国家行业情况不同的是，目前中国单缸柴油机每年仍有相当大的产销量，这是中国特殊国情所致。内燃机燃烧室有多种形式，其中柴油机燃烧室大致分为两种：直喷式和涡流式。目前单缸柴油机的燃烧室多采用后者。随着人们对环境保护要求的不断提高，内燃机的节能与减排成为行业发展的焦点，即将推出的国Ⅴ排放法规将成为世界范围内现行最为严格的排放法规之一，因为单缸柴油机的机构相对简单且成本较低，新的发动机技术使用受到限制，因此为了保证单缸柴油机的活力，需要对其进行必要的技术升级。

为了使发动机满足现代人生活的要求，从各个途径对发动机排放进行控制也成了最近几年领域内研究热点。在进气过程中，气缸内充量系数和涡流强度受进气道结构影响很大，而涡流的强弱和充量的大小对内燃机的动力性、经济性和排放性有着重要的影响。因此，要让发动机性能达到要求，需要特别重视进气道的设计和开发。传统的气道设计方法因为是通过经验和稳流试验相结合，需要大量的实体模型，所以研发周期很长，成本也会很高。而与之相比，采用数值模拟的方法不仅可以大幅提高设计效率降低研发成本，而且也会获得气道细节流动特性，为之后的气道优化打下基础 ^[1]。