FASE方程式赛车进气系统设计说明书

1、进气系统设计说明书前言第一章 设计要求1.1 fsea 关于进气系统的主要要求第二章 进气方案2.1 进气系统基本结构2.2 进气形式2.3 进气管形式2.3.1 方案一2.3.2 方案二2.3.3 方案三第三章 各部件基本参数设计3.1 节气门口径3.2 进气总管长度3.3 稳压腔体积3.4 进气歧管长度第四章 流场分析4.1 分析软件介绍4.2 模型网格划分与边界条件初定义4.3 进气总管分析4.4 稳压腔分析4.5 进气歧管长度分析验证第五章 加工装配5.1 加工装配前言本设计课题来自我校中国大学生方程式汽车大赛项目课题。该赛事意在培养汽车工程方向及相关专业的在校大学生、研究生的创新力，

2、 团队协作能力。 在为期 8-12 个月的时间里完成一辆小型方程式赛车的设计与制造，并成功完成比赛。该赛事从 2010 年在中国开始举办， 我校成功完成了2011赛季。本文结合了 2011年宁远车队的设计经验，完成了2012 赛季的进气系统的设计与优化。第一章设计要求1.1 fsae 规则对进气系统的限制1进气系统必须不能超出外框2节气门必须为机械控制3进气歧管必须用支架或机械固定4为限制发动机功率，一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气系统的节气门与发动机之间， 并且所有发动机的进气气流都应流经此限流阀（最大直径20mm，且截面不能发生变化）第二章进气方案2.1 进气系统基本结构进气系统包

3、含了空滤器、节气门、进气总管、进气歧管、进气门。由于规则的限制，进气系统的设计主要体现在进气总管和进气歧管上，这两部分需要加工制作。2.2 进气形式进气方式主要分为三大类：1自然进气：引擎的运作在气缸内产生的负压，将外部的空气吸入气缸内。这是汽车最传统进气方式，动力输出平稳，维护简单，但在高转速下乏力。2涡轮增压：涡轮增压器的两侧涡轮叶片连接发动机的进气管和排气管，在引擎运作的情况下，利用排出的废气推动排气涡轮叶片，从而带动进气涡轮叶片吸入空气，利用离心增压原理达到增压的效果。3机械增压：机械增压器采用皮带与引擎曲轴皮带盘连接，利用引擎转速来带动机械增压器内部叶片，以产生增压空气送入引擎进气歧

4、管内。其优点是涡轮转速与曲轴相同，没有滞后现象，动力输出平稳。 由于要消耗发动机的能量， 增压的效率并不高。根据实际情况来看， 涡轮增压和机械增压都能增加充气效率，提高发动机的效率。但是涡轮增压使得发动机的零部件长期处于高负荷当中，日后的维护成本很高，维修也不方便。更重要的是在低转速下涡轮有迟滞现象，输出不线性，不利于操控。 机械增压则需要对发动机内部进行改动，而且效率不如涡轮增压。 反观自然进气， 虽然没有增压器， 但可以通过改动进气管提高充气效率，重要的是动力输出线性， 针对赛场的情况， 发动机处于中低转速的情况较多，所以避免了高转速下的乏力。综上所述选择自然吸气更为符合我们的情况。2.3

5、 进气管形式2.3.1 方案一进气系统的最前端位于主环的下方，当赛车高速行驶时， 使得进气口的撞风量大，对称的设计使得各缸的进气量均匀。进气管方案一2.3.2 方案二进气系统的最前端位于赛车的尾部，空间布置不受座舱影响。进气管方案二2.3.3 进气方案三与方案一类似， 但进气系统的前端与稳压腔的侧面连接，使气流经过弯折后变得缓和，最大的缺陷是不能保证四缸的进气平衡。进气方案三通过查阅相关论文及收集大量资料， 得知对称布置的进气管更有利于各缸的进气平衡，所以排除方案三。对于进气系统前段前置，固定方便，它的优点体现在撞风面将产生一定的进气压力，但在40km/h 以下时效果不明显。方案二的进气歧管弯

6、曲，降低了进气阻力，使进气更加平顺。最后结合方案一、二的优点得到改进方案四进气方案四第三章各部件基本参数设计3.1 节气门口径节气门必须为机械控制，所以选择最常见的蝴蝶阀节气门，利于拉线控制。在 2011赛季，使用的为 45mm 的文氏管节气门。根据使用情况的反馈，会出现一定程度上的油门迟缓现象。 经过调查发现，其中一个原因就是节气门口径过大，使得油门反应较为迟缓。在保证足够进气量的同时，还得保证较快的油门响应。最终调整的节气门口径为40mm， 减少了进气截面面积， 使得进气速度得到提高。3.2 进气总管长度进气总管中将有一段起到限流阀的作用。所以总管的结构大体为文氏管 （进气管截面渐缩渐扩）

7、。收缩的截面可迅速提高气流的速度，同时整合通过节气门后的紊乱气流。 查阅相关文献后得知， 较长的总管适合低转速工况，较短的总管适合高转速工况。老的进气总管长度为280mm，经过实践发现，结构过于修长，不利于整体的固定， 刚度有所下降， 长期处于振动当中容易损坏。由于必须在外框之内，现将总管长度缩至150mm。如果收缩的锥角过大，气流不能顺利通过，将会在收缩孔产生拥堵。3.3 稳压腔体积稳压腔的体积本应与实际工况密切相关，在高转速和低转速下分别对应不同的体积。但是目前我们还没能掌握这项工艺。所以只能选取一个在常用转速表现良好的稳压腔体积。 查阅了一篇关于稳压腔体积优化的外文文献。文中提到稳压腔体

8、积可取 2-8倍的发动机排量。然后仿真了在不同体积下发动机的外特性曲线，并做了实验。在 2-5 倍排量时发动机动力曲线上升，6-8 倍时出现下降。最后选取了 3l 和 5l 作为仿真的对比对象。仿真结果证明3l 的稳压腔要优于5l。稳压腔体积：vplen-稳压腔体积3cmved-发动机排量3cmvplen=ved 5=3l 3.4 进气歧管长度进气歧管的长度对充气效率的影响相当显著。但是发动机处于不同工况所对应的最佳歧管长度都是不同的。 最终我们选择在常用转速范围里对歧管长度进行计算。查阅相关文献得到一个歧管长度的计算公式。anvakl4)(22（m）k 绝热指数k 1.4 a音速a=340m

9、/s v空气流速（m/s) n发动机转速(rad/s) 由于空气流速 v，无法直接算出，所以根据去年的数据初步预设进气歧管长度 150mm，然后建模仿真得到了歧管的空气流速约为200m/s。由此数据带入公式求解得到 l=0.1238m，所以最后选择了一个中间值140mm，而发动机机体上已经存在了 70mm 的歧管，所以最后建模只需要70mm 的歧管长度。第四章流场分析4.1 分析软件介绍1cfd商业软件fluent ，是通用 cfd 软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构

10、化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使fluent 在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动 /变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。2gambit 专用的 cfd 前置处理器，fluent 系列产品皆采用fluent公司自行研发的gambit 前处理软件来建立几何形状及生成网格，是一具有超强组合建构模型能力之前处理器，然后由fluent 进行求解。也可以用icem cfd进行前处理，由tecplot 进行后处理。4.2 模型网格划分与边界条件初定义利用前处理软件gambit 对模型进行三维网格划分，对面和体做边界定义。体网格划分时，选择 tri

11、d（四面体网格） 。而根据气流的进出确定，入口边界为压力进口（pressure inlet） ，出口边界为压力出口（pressure outlet） ，管壁定义为壁（wall ） 。4.3进气总管分析单独建立进气总管模型，分析限流阀处的空气流动状态，在相同边界条件下的，不同形状的模型对进气系统的影响。主要分析了不同长度的进气总管对进气系统的影响。参考变量为 air flow rate 、压强云图、速度云图。以下为结果。1进气总管长度为150mm 进气总管长度为150mm 的压强云图限流阀中心处将会出现最低压力-4.68e+05，形成的压强差将使得空气不断流入。进气总管长度150mm 的速度云图

12、由于限流阀处的截面面积最小，此处的空气收敛，使得速度得到了极大的增加。保证了进气效率，从而也增加了进气惯性，可以在进气门处形成惯性增压。最大速度为9.70e+02m/s，出现在限流阀中心处。2进气总管长度为280mm 进气总管长度为280mm 的压强云图最低压强同样出现在限流阀处-3.65e+05。所以形成的压差不及150mm 的进气总管。进气总管长度280mm 的速度云图限流阀处所形成的最高速度也不及150mm 的进气总管。所以对比发现150mm 的进气总管性能优于280mm 的进气总管。最后可用mass flow rate 验证。总管长度 150mm 总管长度280mm 4.4 稳压腔分析

13、以 3l 和 5l 的稳压腔作为对比分析的对象。同样以air flow rate 、压强云图、速度云图，作为参考变量。1稳压腔体积为3l：总管与稳压腔的截面图速度云图1最大速度能达到2.13e+03m/s，经过扩散嘴扩散后，稳压腔被迅速填满，此时稳压腔内的速度最低也能达到106m/s。总管与稳压腔的截面图压强云图1 从进气入口到稳压腔，压力由高变低，再变高。高速流动的气体不断在稳压腔内积累，不仅保证了进气量，同时也产生了进气压力，可以提高进气效率。2稳压腔体5l：总管与稳压腔的截面图速度云图2 稳压腔体积过大使得空气在经过限流阀后，速度迅速降低， 能量损失严重。 使得腔体内的速度整体都低于3l 的稳压腔。总管与稳压腔的截面图压强云图2 稳压腔的压强没有回升，过大的体积使得空气在稳压腔无法形成一定的进气压力。最后分析结果是3l 的稳压腔明显好于5l 的稳压腔。可用mass flow rate验证。稳压腔体积3l 稳压腔体积5l 4.5 进气歧管长度分析验证通过公式已初步验证计算了歧管的长度，但是空气流速的值是通过仿真得到的，最后的结果同样能吻合，说明此计算不存在错误。进气歧管截面流速云图可以看