基于GT―POWER与CFXFSC方程式赛车进气系统的仿真设计

【摘 要】FSC赛车要求发动机有较好的动力性。通过GT-power对不同谐振腔的体积及不同进气歧管的长度组合进行组合分析，得出有利于发动机进气的进气系统。并且利用三维软件Ansys CFX14.0对谐振腔内风杯安放位置进行流体分析。实验得出了改进后的进气设计对发动机的进气量有一定改善。

【关键词】FSC赛车 进气系统 分析 进气量

一、引言

FSC赛车在设计过程中，要求发动机表现出优异的动力性，因此，要求在进气方面发动机能有一个较好的进气量。空气进过空滤器、节气门、限流阀后进入谐振腔，最后在歧管处形成油气混合气进入气缸，见图一。由于FSC赛事要求所有车队必须设置限流阀，为了利用谐振使尽量多的气体进入气缸，谐振腔的容积及进气歧管的长度是设计的重点。

二、利用GT-power确定谐振腔容积与进气歧管长度

GT-power是目前国内外设计发动机应用较多的设计仿真软件。它基于有限体积法，将气体及热量划分成有限的单元体。GT-power能模拟计算发动机的多种部件，如可变气门系统、消声器、整机零部件匹配计算等。本次设计利用了GT-power建立了发动机的一维模型，见图二。

（一）仿真方案及模型确定

根据整车的布置与赛事的要求，进气歧管不能过长。谐振腔过大，发动机工况变化时响应会变慢。因此，根据初步计算得到了四组谐振腔容积及进气歧管长度的组合：①谐振腔容积为2.5L，歧管长度80mm；②谐振腔容积3L，歧管长度80mm；③谐振腔容积2.5L，歧管长度160mm；④谐振腔容积3L，歧管长度160mm。其中，离散长度为20mm，燃烧为韦伯模型，大气压为1bar。其余参数均按样机选定或测定。

（二）仿真结果

各方案仿真所得充气效率对比曲线图见图三。

（三）一维仿真结论

谐振腔2.5L与3.0L之间差别对充气效率的影响较小；80mm进气歧管的优势体现在了高于13000r/min的转速下，而低于该转速160mm进气歧管可以获得较大的充气效率，该优势在8000至12000r/min下尤为明显。

根据对比①、②、③、④的充气效率对比表与充气效率曲线对比图可以看出，在常用转速8000到12000r/min中③、④（即进气歧管长度为160mm）有着明显的优势。又根据谐振腔的特性，体积越大发动机在加减速时迟滞越明显以及体积大质量较大的考虑，最终选择③（即谐振腔容积2.5L，歧管长度160mm）为最终方案。

三、三维流体动力仿真

三维流体动力仿真采用了Ansys CFX14.0。由于CFX其采用了有限体积法，对复杂几何及网格有很好的处理能力。并且其收敛快，精度高，因此广泛用于各流体分析。其提供的CFX Expression Language（CEL）是非常方便的语言，方便了用户控制工程中的条件。

（一）仿真方案。在谐振腔容积及进气歧管长度已定的情况下，其三维设计应当尽量减少局部阻力损失，从而可以更好地保证了充气效率。本次仿真在谐振腔入口过度面尽量圆滑的条件下针对谐振腔内风杯安装高度的摆放高度，进行了方案的确定：①风杯高度为14mm；②风杯高度为26mm。

（二）工况制定。赛车在比赛中，关键的得分在耐久赛。赛车需要在赛场里绕桩桶并行使22km，常用挡位为1、2挡。根据车速及挡位可初步得出发动机常用转速为10000r/min左右。而气体流量多，阻力损失越大。因此，制定进气仿真在节气门全开下10000r/min做瞬态分析。

（三）仿真结果。进气量最终会表现在限流阀入口端的进气质量流量，因此，只需监测气体入口的进气质量流量便可以得到最终优化的进气系统方案。为了排除系统初场对仿真结果的影响，选择第四个循环查看该循环的进气量。

（四）仿真结论

从图四可知方案：①最高瞬时速度低于方案②，但方案②中气体湍流程度较大，而方案①气体流动较平顺。

从图五来看，方案①的质量流量虽然与方案②的走势相同，但一个循环内平均质量流量较大。

综合以上两点，选择方案①（风杯高度为14mm）作为最终方案。

四、总结

（一）通过一维模型的仿真，并一定程度综合如轻量化及布置上的要求，选择了谐振腔为2.5L，进气歧管长度为160mm。

（二）通过三维模型的仿真，以入口进气质量流量为目标，确定了风杯高度为14mm的设计方案。

（三）综合了一维及三维的仿真，在一定程度上提高了发动机的进气量，提高了发动机的动力性。

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