【導(dǎo)讀】上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）FSAE賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析。利用赫爾姆霍茲進(jìn)氣諧振原理驗(yàn)算...........33. 本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來自我校第二屆F

　　

【正文】 上比較流行的商用 CFD 軟件包，在美國的市場占有率為 60%。 凡跟流體，熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法以及強(qiáng)大的前后處理功能，在航空航天、汽車設(shè)計(jì)、石油天然氣、渦輪機(jī)設(shè)計(jì)等方面都有著廣泛的應(yīng)用。其在石油天然氣工業(yè)上的應(yīng)用包括：燃燒、井下分析、噴射控制、環(huán)境分析、油氣消散 /聚積、多相流、管道流動等等。 Fluent 的軟件設(shè)計(jì)基于 CFD 軟件群的思想，從用戶需求角度出發(fā)，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象， FLUENT 軟件采用不同的離散格式和數(shù)值方法，以期在特定的領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流動計(jì)算問題?；谏鲜鏊枷?，F(xiàn)luent 開發(fā)了適用于各個(gè)領(lǐng)域的流動模擬軟件，這些軟件能夠模擬流體流動、傳熱傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)和其它復(fù)雜的物理現(xiàn)象，軟件之間采用了統(tǒng)一的網(wǎng)格生成技術(shù)及共同的圖形界面，而各軟件之間的區(qū)別僅在于應(yīng)用的工業(yè)背景不同，因此大大方便了用戶。 GAMBIT—— 專用的 CFD 前置處理器， FLUENT 系列產(chǎn)品皆采用 FLUENT公司自行研發(fā)的 Gambit 前處理軟件來 建立幾何形狀及生成網(wǎng)格，是一具有超強(qiáng)組合建構(gòu)模型能力之前處理器，然后由 Fluent 進(jìn)行求解。也可以用 ICEM CFD 進(jìn)行前處理，由 TecPlot 進(jìn)行后處理。 模型網(wǎng)格劃分與邊界條件初步定義 利用 Fluent 專用前處理軟件 Gambit 對模型做三維體網(wǎng)格劃分，并對面和體做邊界條件定義。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 38 流體分析的網(wǎng)格比較單一，只是維數(shù)的差別，如 2D 的三角形 4 邊形；3D 的四面體、六面體、楔形體、棱柱等 。進(jìn)氣系統(tǒng)的網(wǎng)格由 Gambit 自動生成六面體網(wǎng)格。 圖 限流閥處的網(wǎng)格劃分 如圖 ，以四面體網(wǎng)格為單位，綠色面為限流閥開口，設(shè)定為壓力入口（ Pressure inlet），銀色面為限流閥開口，限流閥以及擴(kuò)散器的管壁，故定義為壁（ Wall），而內(nèi)部體積為進(jìn)氣管 的空氣流動處，故定義為流體（ Fluid），而四根歧管的出口定義為壓力出口（ Pressure outlet）。 整體分析 進(jìn)氣管方案二 整體分析 首先將 Gambit中輸出的 mesh文件導(dǎo)入 Fluent， 選用 3D單精度模擬，定義求解器為以絕對壓力為基礎(chǔ)，流體材質(zhì)為空氣，由于是進(jìn)氣，溫度密上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 39 度與成分都與大氣相當(dāng)，故使用空氣默認(rèn)參數(shù)。由于進(jìn)氣系統(tǒng)是自然進(jìn)氣，進(jìn)氣溫度在進(jìn)氣過程中變化微弱，故不引入能量方程， 但空氣流速較高，粘性定義為 kepsilon方程。邊界條件設(shè)定為，壓力入口（ Pressure inlet）由正對于進(jìn)氣口截面的 1x105 Pa 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為進(jìn)氣壓力。四個(gè)壓力出 口（ Pressure outlet）由于進(jìn)氣過程是活塞下行，導(dǎo)致氣缸吸氣，過程中相當(dāng)于真空，故定義為 0Pa。壁面定義為光滑，恒定。殘差設(shè)定為 1x103? ，則計(jì)算結(jié)果小于該值后求解收斂。 以下為分析結(jié)果 。 圖 方案二壓力云圖 最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口 ，其值為 +09Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥當(dāng)中，其值為 +10Pa。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 40 圖 方案二流速云圖 最高流速出現(xiàn)在限流閥處 ，其值為 +05 m/s， 最低流速出現(xiàn)在穩(wěn)壓腔 處 ， 其值為 +02 m/s。 進(jìn)氣管方案三 整體分析 求解過程同上，邊界條件同上，對側(cè)邊進(jìn)氣 進(jìn)行分析 ， 以下為分析結(jié)果 。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 41 圖 方案三壓力云圖 最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口 ，其值為 +13Pa，最低壓力出現(xiàn)在限流閥當(dāng)中，其值為 +14Pa。 圖 方案三流速云圖 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 42 最高流速出現(xiàn) 在限流閥處，其值為 +07 m/s， 最低流速出現(xiàn)在穩(wěn)壓腔處 ，其值為 0 m/s。 確定進(jìn)氣系統(tǒng)方案 由方案三的速度云圖可以看出，由于側(cè)邊進(jìn)氣的彎口導(dǎo)致 氣體流動有一個(gè)轉(zhuǎn)動慣性，以至于第三根進(jìn)氣道流速高于其他三根，四個(gè)缸的進(jìn)氣效果不平衡，對于進(jìn)氣是不利的。 且從方案三流速分布看出，穩(wěn)壓腔末端由于其構(gòu)造特性，出現(xiàn)了速度為 0 的滯留區(qū)，使穩(wěn)壓器部分空間 不起作用，這對于之前的理論計(jì)算結(jié)果有所偏差； 而方案二的進(jìn)氣則相對平衡，故排除方案三， 最終決定使用 方案二，即 后方，中央進(jìn)氣。 擴(kuò)散器理想錐角的 CFD模擬 根據(jù)理論， 7176。為 FSAE 賽車最理想的擴(kuò)散器錐角，以下則分別對 相同長度的 6176。， 7176。， 8176。錐角 擴(kuò)散器 進(jìn)行 CFD 分析，研究其壓力與流速的變化，并作比較。 邊界條件： 壓力入口（ Pressure inlet）： 1x105 Pa 壓力出口（ Pressure outlet）： 0Pa 殘差設(shè)定： 1x103? 6176。錐角擴(kuò)散器分析 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 43 圖 6176。錐角收斂步驟 圖 6176。 錐角 流速云圖 最高流速出現(xiàn)在限流閥中央 ，其值為 +03m/s， 最低流速出現(xiàn)在擴(kuò)散器末端 ，其值為 +01m/s。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 44 圖 6176。 錐角 壓力云圖 最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處 ，其值為 +04Pa， 最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間 處 ，其值為 +06Pa，擴(kuò)散器末端壓力為 +04Pa。 7176。錐角擴(kuò)散器分析 圖 7176。錐角收斂步驟 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 45 圖 7176。錐角流速云圖 最高流速出現(xiàn)在限流閥中央 ，其值為 +03m/s， 最低流速出現(xiàn)在擴(kuò)散器末端 ，其值為 +01m/s。 圖 7176。錐角壓力云圖 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 46 最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處 ，其值為 +04Pa， 最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處 ，其值為 +06Pa， 擴(kuò)散器末端壓力 為 +04Pa。 8176。錐角擴(kuò)散器分析 圖 8176。錐角收斂步驟 圖 8176。錐角流速云圖 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 47 最高流速出現(xiàn)在限流閥中央 ，其值為 +03m/s， 最低流速出現(xiàn)在擴(kuò)散 器末端 ，其值為 +01m/s。 圖 8176。錐角壓力云圖 最高壓力出現(xiàn)在限流閥開口處 ，其值為 +04Pa， 最低壓力出現(xiàn)在限流閥中間處 ，其值為 +06Pa， 擴(kuò)散器末端壓力 為 +04Pa。 擴(kuò)散器 對比論證 表 空氣流量與壓 力損失 對比 6176。錐角 7176。錐角 8176。錐角 末端半徑 mm 30mm 33mm 36mm 空氣流量 mm3 /s 176342400mm3 /s 177128028mm3 /s 162760000mm3 /s 末端壓力 Pa +04Pa +04Pa +04Pa 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 48 根據(jù)限流閥擴(kuò)散器評判依據(jù)空氣流量 和進(jìn)氣壓力 損失 為指標(biāo)。 計(jì)算擴(kuò)散器末端截面的空氣流量 Q，流量為截面積乘以流速，并 比較擴(kuò)散器末端壓力。 綜合以上數(shù)據(jù) ，空氣流量是 7176。最高，進(jìn)氣壓力損失是 7176。最小。所以 7176。是最理想的擴(kuò)散器錐角。 燃油霧化效果 模擬 燃油噴嘴最佳位置為正對氣門背面，故取一根進(jìn)氣道，在正對進(jìn)氣門背面位置正上方為噴油嘴建模，設(shè)為壓力入口，噴射壓力 343KPa，進(jìn)氣道入口 100KPa，進(jìn)氣道出口 0Pa。 圖 為 霧化 模擬 效果圖。 圖 燃油霧化模擬效果圖 5 進(jìn)氣系統(tǒng) 制造工藝及裝配 零件制造 限流閥開口，限流閥，限流閥擴(kuò)散器所形成的文氏管，精度要求很高，上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 49 所以采用數(shù)控車床 。 圖 數(shù)控車床 穩(wěn)壓腔較為理想的是兩側(cè)做成 半 球面，以 減少兩端的空間和滯流區(qū)。但是制作成本太高， 所以 使用等體積的圓柱形，兩側(cè)為平板，與圓柱焊接 。 進(jìn)氣道為呈 90176。圓弧 的管子，需要用到冷彎，為了保持彎管截面盡可能保持原形，需要在彎管時(shí)灌沙。彎管機(jī)選擇 手動 彎管機(jī)，不能 是 穿芯軸的彎管機(jī)，避免芯軸在彎管時(shí)摩擦鋁管，使材料有傷口后，容易折斷 。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 50 圖 彎管 機(jī) 裝配與安裝 由于材料是鋁，所以采用純鋁焊絲，焊接方式為氬弧焊。選用交直流兩用氬弧焊機(jī)，交流檔焊接鋁材。 圖 為密歇根州立大學(xué)的鋁質(zhì)進(jìn)氣系統(tǒng)的焊接成品。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 51 圖 鋁質(zhì)進(jìn)氣系統(tǒng)焊接案例 空氣濾清器與限流閥開口的裝配使用金屬卡箍。限流閥開口，限流閥，限流閥擴(kuò)散器由數(shù)控車床一體成型，此部分盡可不使用焊接，因?yàn)榻孛孑^小，焊接所以引起的內(nèi)壁粗糙將對進(jìn)氣效果產(chǎn)生很大影響。擴(kuò)散器末端與穩(wěn)壓腔連接處采用焊接，穩(wěn)壓腔與四根進(jìn)氣道用焊接相連，進(jìn)氣道與發(fā)動機(jī)按照規(guī)則要求使用螺栓螺母連接，為防止振動引起的松動，選用尼龍防松螺母。 圖 為此次進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)成品在發(fā)動機(jī)與車架上的裝配效果圖。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 52 圖 進(jìn)氣系 統(tǒng)的裝配效果圖 6 結(jié) 論與展望 結(jié)論 本論文進(jìn)行了對 FSAE 賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 ， 建立了進(jìn)氣系統(tǒng)的實(shí)體模型， 并在 Fluent 下對進(jìn)氣系統(tǒng)做了空氣動力學(xué)分析，通過模擬驗(yàn)證了進(jìn)氣系統(tǒng)各參數(shù)設(shè)定的可行性，還通過赫爾姆霍茲進(jìn)氣諧振原理對實(shí)體化后的進(jìn)氣系統(tǒng)做了諧振轉(zhuǎn)速驗(yàn)證， 結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的進(jìn)氣系統(tǒng)能夠滿足賽車的要求。本設(shè)計(jì) 將應(yīng)用于本校 2021 屆 FSAE 賽車 。 上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 53 展望 FSAE 賽車的進(jìn)氣系統(tǒng)從大賽規(guī)則角度出發(fā)，目的在于限制發(fā)動機(jī)的性能，從而提出了限流閥的應(yīng)用，及其固定不變的相對位置要求 ，也就是說，裝有限流閥的進(jìn)氣系統(tǒng)將使發(fā)動機(jī)性能大大低于其原廠的設(shè)定 。然而，從學(xué)生設(shè)計(jì) FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)的目的則是盡可能降低限流閥對發(fā)動機(jī)性能造成的負(fù)面影響，甚至是使用增壓的方式突破對限流閥 引起的發(fā)動機(jī)性能 削弱 ，獲得比原裝發(fā)動機(jī)更高的動力。 本次研究已對進(jìn)氣系統(tǒng)的流體動力學(xué)模擬和諧振進(jìn)氣轉(zhuǎn)速做了分析及計(jì)算。在今后的研究中還應(yīng)通過 GTpower 軟件，模擬進(jìn)氣系統(tǒng)的一維參數(shù)設(shè)定對發(fā)動機(jī)輸出性能的曲線的影響，并結(jié)合發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)獲得驗(yàn)證。在長期的調(diào)試中，進(jìn)氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)以及 ECU 電控模塊將得到更好的匹 配，發(fā)揮發(fā)動機(jī)的性能潛力。上海工程技術(shù)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） FSAE 賽車進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 54 參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞 . 汽車構(gòu)造 [M]. 北京：人民交通出版社， 2021 [2] 劉維信 . 汽車設(shè)計(jì) [M]. 北京：清華大學(xué)出版社， 2021 [3] 余志生 . 汽車?yán)碚?[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2021 [4] 林學(xué)東 .汽車動力匹配技術(shù) [M].北京 :中國水利水電出版社 .2021 [5] 顧伯良等譯 .BOSCH 汽車工程手冊 [M].北京 : 北京理工大學(xué)出版社 ,2021 [6] Carroll Smith. 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