（光学工程专业论文）基于cadcfd的塑料进气歧管流场分析及结构改进.pdf

国内图书分类号： u464.134+.4 学校代码： 10213 国际图书分类号：629 密级：公开 工学工学硕士硕士学位论文学位论文 基于 cad/cfd 的塑料进气歧管 流场分析及结构改进 硕 士 研 究 生 ： 范爱花 导 师 ： 罗丽君副教授 申 请学位 ： 工学硕士 学科 ： 车辆工程 所 在 单 位 ： 汽车工程学院 答 辩 日 期 ： 2011 年 6 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: u464.134+.4 u.d.c: 629 dissertation for the masters degree in engineering flow field analysis and structure improvement of plastic intake manifold based on cad/cfd candidate： fan aihua supervisor： associate prof. luo lijun academic degree applied for： master of engineering speciality： automobile engineering affiliation： school of automobile engineering date of defence： june, 2011 degree-conferring-institution： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -i- 摘 要 进气歧管是汽车发动机的一个主要部件，其几何形状、结构和流动特性影 响到汽车发动机性能的多个方面，包括进气阻力、充气效率、各缸均匀性及缸 内气体运动，进而影响到汽车发动机的动力性、经济性和排放指标。高性能的 发动机对进气歧管的设计也提出了更高的要求。 在传统进气歧管设计中，其性能通常用稳流试验来进行评价。稳流试验虽 然能得到流动综合量，但不能得出详细的缸内三维流场信息。设计者设计时主 要靠自己的直觉和所积累的经验，而且试验方法周期长、费用大，严重影响生 产效率。cad/cfd 技术在进气歧管设计中的使用能有效地克服这些缺点，因 此，cad/cfd 技术将逐渐成为进气歧管设计改进中最常用，也是最有效的方 法。 本文用 cad 软件建立某发动机进气歧管三维几何模型；分别使用 star-cd 和 ansa 软件对进气歧管三维几何模型进行网格划分；然后采用 k-epsilon/high reynolds number 模型模拟进气歧管内流场，用 cfd 软件分别 对网格模型进行流场分析；根据流场分析对所设计的进气歧管模型进行了两次 结构改进；并分别对改进后的进气歧管进行流场分析，将流场分析所得结果与 试验数据进行比较。结果表明：经过两次改进后的进气歧管在性能方面有了很 大的提高，能够满足预期的设计目标要求；同时也证明 cad/cfd 技术计算精 度较高，与稳流试验一致性也很高，为进气歧管设计提供了很好的理论依据。 本文为进气歧管设计及结构改进提供了具有指导意义的研究方法，该研究 方法对于汽车进气歧管的结构设计及改进具有普遍推广性。 关键词：塑料进气歧管；流场分析；结构改进 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -ii- abstract intake manifold is a key component of automobile engine; its geometric shape, structure and flow characteristics affect many aspects of automotive engine, such as, performance, including intake resistance, volumetric efficiency, uniformity and gas motion in each cylinder, furtherly affec automobile engine power, economy and emission indicators. high-performance engine also needs higher designment requirment of the intake manifold. in the traditional design of the intake manifold, the performance of the intake manifold is evaluated by the steady flow test commonly. although the steady flow test can get comprehensive volume index, but can not get detailed three-dimensional flow field information in cylinder. in the design, the designers rely mainly on their own intuition and accumulated experiences, and test method needs long cycle, high cost, and reduces the production efficiency substantially. cad/cfd design technology in the intake manifold can be effectively used to overcome these shortcomings, therefore, cad/cfd technology will gradually become the most popular and most effective method in the design and improvement of intake manifold. in these paper, we use cad software to establish three-dimensional geometric model of one engines intake manifold; use star-cd and ansa software to mesh intake manifold three-dimensional geometric model respectively; and then use k-epsilon/high reynolds number model to simulate the flow field in the intake manifold; use cfd software to analysis the flow field of two grid models respectively; inprove instructure of the designed intake manifold model based on analysis of flow field twice; then do further analysis of flow field for the improved intake manifold respectively, and compare the results of the flow field analysis to the results of the experiment. the results show that the performance of the intake manifold has been greatly improved and can meet the desired design objectives and requirements after twice improvements of the intake manifold; cad/cfd technology has high accuracy, consistency with the steady flow test is also high, and provides a good theoretical basis for the designment of intake manifold. this article provides guiding research methods for the designment and the structure improvement of the intake manifold. the research method has universal generalization for the designment and the structure improvement in the manifold of the car. keywords：plastic intake manifold, flow field analysis, improvement of structure 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iii- 目 录 摘 要 i abstract ii 目 录 iii 第 1 章 绪 论 5 1.1 课题研究背景目的及意义 5 1.2 cad/cfd 技术 6 1.2.1 cad 技术在产品设计中的应用 6 1.2.2 cfd 技术的应用 7 1.3 国内外研究现状 8 1.3.1 国外研究现状 8 1.3.2 国内研究现状 9 1.4 主要研究内容 10 第 2 章 进气歧管模型的建立 11 2.1 数学模型的建立 11 2.1.1 气体运动控制方程 11 2.1.2 湍流模型 12 2.1.3 simple 算法 13 2.1.4 有限体积法 15 2.2 三维几何模型的建立 16 2.3 网格模型的建立 17 2.3.1 star-cd 划分网格 17 2.3.2 ansa 划分网格 18 2.4 本章小结 19 第 3 章 进气歧管 cfd 计算及分析 20 3.1 确定边界条件和收敛方法 20 3.2 cfd 模拟结果及分析 21 3.2.1 六面体网格模型模拟计算及结果分析 22 3.2.2 四面体网格模型模拟计算及结果分析 28 3.3 本章小结 33 第 4 章 进气歧管结构改进 34 4.1 第一次改进 34 4.1.1 建立模型 34 4.1.2 cfd 模拟计算及结果分析 34 4.2 第二次改进 40 4.2.1 建立模型 40 4.2.2 cfd 模拟计算及结果分析 41 4.3 本章小结 46 第 5 章 进气歧管试验研究 47 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -iv- 5.1 进气歧管样件制作 47 5.2 试验方法及结果分析 48 5.3 本章小结 50 结 论 51 参考文献 52 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 56 致 谢 57 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -5- 第1章 绪 论 1.1 课题研究背景目的及意义 在过去的一百多年中， 内燃机在人类社会进步方面起到了不可替代的作用， 尤其是在汽车工业的发展过程中。虽然人们一直致力于新动力的研究，但到目 前为止，仍没有任何一种动力源能完全取代内燃机。可以预测，在今后相当长 的时期内，内燃机因其特有的优点仍将处于不可替代的地位1。随着经济发展 和汽车工业的迅速发展及人们收入水平的提高，汽车保有量在迅速增加，截至 2011 年 2 月，我国机动车的保有量已经达到 2.11 亿辆，有 20 个城市的机动车 保有量超过 100 万辆， 国家对汽车产业振兴规划的顺利实施以及对 1.6l 以下汽 车的税费优惠，使得我国的机动车保有量在未来一段时期内仍将以较高速度增 长2。这在推动人类发展的同时，也带来了能源危机、环境污染等阻碍人类发 展的多种问题，据不完全统计，内燃机产生的有害气体几乎占了全球燃料燃烧 所产生的有害气体排放量的一半。作为主要的出行和运输工具及国民经济的支 柱产业，在未来社会发展中，汽车工业仍然会以强劲的势头迅猛发展。这些都 要求汽车发动机的性能进一步迅速提高，不仅要提高发动机的动力性、 经济性， 更重要的是在排放性方面有快速提高，以满足各国日益增强的环保意识，总而 言之，对汽车发动机的总要求是低排放、低油耗、低噪声、高的比功率（kw/l） 、 比扭矩（nm/l）以及便于大量生产、降低成本等3。 发动机性能与充气效率有很大关系，而充气效率又受进气流动状态影响， 影响进气流动状态的一个重要因素就是进气歧管形状及结构。进气歧管作为发 动机的一个主要部件，不仅影响发动机缸内空气充量大小和进气涡流强度，而 且还是发动机电喷系统主要零部件的安装支撑结构， 对汽车发动机整体性能 （动 力性、经济性、排放性等）有着决定性的影响。近年来，汽车材料朝着轻量化、 环保化的方向发展，因此，性能良好、价格低廉、加工工艺简单的塑料制品在 汽车上的应用逐年增加，开始只是汽车上的普通饰件采用塑料，现在汽车上的 结构件、功能件也开始塑化。作为汽车心脏发动机中最重要的部分之一， 进气歧管也越来越多的采用塑料材料，而且在发达国家塑料进气歧管已经得到 了广泛应用。与之前汽车上普遍采用的铝进气歧管相比较，塑料进气歧管的质 量减轻了很多，平均质量仅为铝进气歧管的 55%，在很大程度上减轻了发动机 的重量，从而有利于汽车整体的轻量化；虽然目前塑料进气歧管的开发成本较 高，但由于其质量大大降低，而且是一次成型，明显提高了生产效率和产品合 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -6- 格率，再加上塑料成本低，所以从总体上来说，塑料进气歧管的投资减少，在 成本上有很大优势，完全可以开发；由于塑料进气歧管拥有光滑的内壁，可以 显著提高进气充量，从而使发动机动力性得到明显提高。综上所述，在未来的 进气歧管材料研究中，将越来越倾向于对塑料进气歧管的研究。 在实际的设计流程中，鉴于进气歧管结构较为复杂，设计者大都采用稳流 试验来评价进气歧管性能，然后根据直觉和所积累经验对设计进行反复修改优 化。试验方法有盲目、局限、周期长、价格昂贵等缺点，而且，所得结果只能 衡量综合流量，表征宏观特性，而并不能获得各个流场内部的详细信息，不能 为更好地改善进气歧管性能提供足够的信息4，而 cfd 分析方法却能得出整个 进气歧管三维流场中任一点的详细信息，而且随着 cfd 计算精度的不断提高， 能够为设计者提供更有力、更直观的理论依据。 近年来，计算机技术的进步可谓是日新月异，正因如此，cad/cfd 技术 也逐渐成为进气歧管设计最常用也是最有效的工具。在进气歧管的设计及结构 改进中使用 cad/cfd 技术能使设计周期缩短，而且优化过程相对简单。在设 计进气歧管时可以使用 cad 软件建立所需的三维实体模型，通过对所建立模 型的 cfd 软件仿真计算结果进行流场分析来确定所设计进气歧管的优缺点， 并 提出改进措施5，可以大大提高生产效率。通过这些先进技术的应用，可以加 快内燃机性能的改善，从而推动整个汽车工业更快、更好地发展。 1.2 cad/cfd 技术 1.2.1 cad 技术在产品设计中的应用 随着很多大型三维造型软件的出现，cad 技术得到了快速发展，被越来越 广泛地应用于产品设计开发阶段和实际生产中。目前，使用较广泛的三维造型 软件包括 ug、pro-e 和 catia，这三种软件基本上都具有实体造型、参数化 设计等基本功能，都具有强大的曲面和曲线处理功能，能很好地对进气歧管等 形状复杂且不规则产品进行三维造型。正因为这些优点，才大大提高了产品的 三维造型精度，缩短了产品开发设计阶段所消耗的时间，加快了产品的更新换 代。产品的三维造型根据设计者出发点不同主要分为两个方面：正向设计、逆 向工程。 一般地，正向设计的设计过程是从无到有的，其两种基本方式是：交互设 计、参数化设计6。从产品的一些重要特点能得出在所设计产品的模型建立过 程中起关键作用的曲线及曲面，根据这些重要因素，使用恰当的方法及模型建 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -7- 立规律完成所设计产品三维模型的建立，这就是交互设计。当所设计产品的结 构较为定型时，我们可以设定一系列与控制所设计产品的尺寸对应的参数来约 束尺寸之间的关系，当设定不同的参数值时，会因尺寸驱动而得出不相同的所 设计产品的三维几何模型，这就是参数化设计7。 对没有图纸或 cad 模型及图纸不完整的产品使用数字化技术和 cad 技术 按照已有产品模型重新建立原 cad 模型的过程称为逆向工程8。 随着技术的不 断进步及各种设备的快速更新换代，逆向工程将会应用于越来越多的领域中， 充分体现其在自由曲面设计和制造中的巨大价值，为制造业的信息传递提供更 为快捷的途径，从而大大提高产品的设计和生产效率。 综上可知， cad 技术作为一种快速发展的产品三维造型技术在产品的设计 开发及生产阶段都有着明显的使用价值，相信随着技术进步和社会发展，cad 技术的应用领域也会越来越广泛。由于进气歧管的外形曲面及结构较为复杂， 根据 cad 技术在产品三维造型设计中的应用特点，本文采用 catia 软件根据 现有的进气歧管模型建立所使用的某发动机进气歧管三维模型。这样可以缩短 研究周期，且所建立模型精度较高，有利于进行下一步的流场分析。 1.2.2 cfd 技术的应用 cfd（计算流体动力学）由计算机进行数值计算，通过得出的图像显示来 分析相关的物理现象系统，如：流体流动、热传导等。其基本思想可归纳为： 按照特定的原则，用特定的方式建立关于用于替代速度场、压力场等连续物理 量场的一系列离散点上的变量值间的代数关系方程组，再由这些代数方程组解 得场变量的相似值9。 cfd 仿真计算的一般步骤为10： （1）把所研究产品的物理模型抽象成数学、力学模型。 （2）建立适用于计算区域的 cad 模型，并对所建立模型进行网格划分。 为了确保计算的稳定性和计算效率，应该选择合适的网格稀疏程度和网格单元 形状。 （3） 确定计算所需初始条件， 入口处边界条件和出口处边界条件， 如速度、 压力等，考虑湍流的问题还要给出湍流动能及耗散率。 （4）选择正确的算法，给定详细的可控制的求解过程、求解精度的条件， 对要分析问题进行求解，并以数据文件保存结果。 （5） 根据后处理器读取的计算结果的数据文件得到其图形格式。观察所得 结果，如果不符合真实情况，就对初始参数进行修改，重复（3）（5）步直 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -8- 到求解收敛。 美国 los alamos 国家试验室设计的 kiva 系列程序、cham(concentration heat and momentum ltd.)的 phoenics、fluent、star-cd、fire 以及 rpm 是目前常用的 cfd 软件。其中，fluent 和 star-cd 使用最为广泛，都有 cad 接口，可直接读入 cad 软件建立的几何模型、网格和数据。所有的 cfd 软件均包括前处理器、求解器、后处理器三个程序模块，一般的，前处理器用 来完成步骤（1） （2） （3） ，求解器用来完成步骤（4） ，后处理器用来完成步骤 （5） 。 有限差分法、有限容积（控制容积）法、有限元法、边界元法、有限分析 法等是 cfd 数值求解时最常采用的方法11，在这些方法中，有限体积法和有 限元法有绝对的优势。除 fidap 外， 目前广泛使用的 cfd 软件，如 star-cd、 fluent、fire 等都采用有限体积法12。 本文采用 star-cd 软件对试验模型进行流场分析。star-cd 是第一个采 用完全非结构化网格生成技术和有限容积方法来研究工业领域中复杂流动的流 体分析商用软件包7。由于其具有高速大规模并行计算能力，所以被广泛用于 流体分析的各个领域，为多种产品开发研究提供了方便。 1.3 国内外研究现状 由于发动机进气歧管的重要性，国内外都越来越重视对进气歧管，特别是 塑料进气歧管各个方面的研究，虽然现在已经有人开始了对进气歧管材料的研 究，但是国内外对进气歧管的研究仍然是主要针对其几何形状设计。自二十世 纪六十年代以来，不断增长的工业需求，尤其是航空航天工业的快速发展推动 了 cad/cfd 技术的快速发展。虽然 cad/cfd 在汽车领域的应用起步较晚， 但国内外在这方面的研究中仍然已取得了许多显著成就。近年来对进气歧管的 研究方法也从单一的试验研究转向了试验研究和 cad/cfd 技术相结合，并取 得了很好的成果。 1.3.1 国外研究现状 1990 年，宝马公司采用融芯法首次生产出塑料进气歧管，经测试，发动机 性能改善了 2%，而且生产成本和发动机质量都有不同程度的降低。1992 年， 英国帝国理工学院对发动机进气歧管内的气体进行了三维定常湍流流动的数值 计算和试验研究13，模拟计算结果与试验测量结果吻合程度很高，充分说明了 cfd 技术的实用性。1994 年，godrie、zellat 和 dent 等人应用 satr-cd 程序， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -9- 分别对切向气道和螺旋进气道内空气运动进行了三维稳态模拟14。1995 年，现 代汽车公司生产出第一个塑料进气歧管，而且在某些车型上得到应用。1996 年 德国大众汽车公司使用 cfd 技术对一个四缸发动机进气歧管进行了模拟分析， 他们对稳态和瞬态的两种流动进行了模拟，并分析计算结果，使得进气歧管的 性能得到改善。augusto c.m.moraes，jeffrey c.buell15等人于 2001 年提出了解 决缸内非稳定流的新的数值模拟策略，这种方法是基于有限元法的。2002 年， i.yavuz 和 i.celik16通过敲缸预测研究了发动机的爆震问题。2001 年，通用公 司使用三维仿真对直喷式柴油机进气歧管进行模拟，对各缸之间的废气再循环 率进行了研究，通过对进气歧管内的稳态和非稳态流动进行模拟和分析来尽可 能地减少进气歧管在将空气送入各缸时的压力损失。ugur kesgin17于 2004 年 使用 avl 的 boost 和 fire 软件对发动机进排气系统进行模拟研究， 同时进行了 优化设计。保时捷公司与马勒公司及杜邦公司合作开发的塑料进气歧管已经应 用于卡宴柴油车上。 奥迪 a84.2ltdi 柴油发动机采用了用 ppa 材料制造的塑料 进气歧管。 通用电气公司塑料部联合 cmi 国际公司采用由玻璃纤维增强的 pps 和其他工程塑料制成的合金研制了塑料进气歧管，经测试，其各方面性能均优 于铝进气歧管，能显著提高发动机性能。 1.3.2 国内研究现状 国内的汽油机塑料进气歧管技术也已成熟，并且已经能进行自主研发和大 批量生产，而且也很好地将 cad/cfd 技术应用于发动机及其各部件的设计及 结构改进中，但是国内的研究大多数是在稳态试验和稳态数值计算的基础上。 2002 年，重庆宗申集团从韩国引进了熔芯法塑料进气歧管生产线。2003 年，天 津大学与宗申集团联合成功设计了 4650e 塑料进气歧管，并已批量生产，投放 市场。2005 年，一汽集团与 basf 公司合作开发了一种柴油机塑料进气歧管， 并且已经应用于红旗轿车，但产量不是很太，没有得到大规模应用。重庆大学 的吴春艳通过研究材料和注塑工艺对进气歧管的影响研究了塑料进气歧管的成 型方法并且对成型方法进行了优化。湖北汽车工业学院的韩同群，马祥宁利用 gt-power 软件对某发动机进行优化设计后，发动机流量增大，均衡性变好18。 上海交通大学的黄征宏，邢渊应用 cad/cfd 技术对某汽车发动机进气歧管进 行了改型设计，充分验证了数值模拟和试验研究的良好一致性。北京工业大学 的纪常伟，陈熙，林雅，韩爱民以 sofim 2.5 l 涡轮增压中冷柴油机为样机， 用正交优化设计及 cad/cfd 技术设计了气波增压柴油机进气歧管。华中科技 大学的罗马吉应用 cad/cfd 技术对某汽车发动机的进气歧管进行了稳态数值 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 -10- 计算，分析了各个出口的质量流量，并得出了进气不均匀性，从而对该发动机 进气歧管的流动特性进行了研究。 李隆键等人用 cfd 软件对发动机气道进行数 值模拟计算，得出不同升程下的进气流量系数，证明了仿真与试验方法的一致 性19。韩义勇等使用 cfd 软件通过对螺旋进气道进行仿真计算，比较试验与 模拟计算所得的评价参数，证明了试验和模拟计算具有良好的吻合趋势20。 综上我们可以看出，塑料进气歧管越来越受到各个汽车厂家的重视，而且 在进气歧管的形状设计研究上，国内外都越来越重视 cad/cfd 技术的作用。 通过 cad/cfd 技术对进气歧管形状进行设计优化可以大大提高进气歧管的进 气性能和流动性能，降低其流动损失，从而有效地提高发动机各方面的性能， 达到提高经济性、动力性，降低油耗及污染物排放的目的。 1.4 主要研究内容 本文主要采用 cad 技术进行某发动机塑料进气歧管的设计，并通过 c