流体力学应用/A50：汽车进气歧管优化

本项目涉及汽车进气歧管的优化，其中考虑了方程式赛车协会 (FSAE) 车辆的一个特殊案例。该汽车是一种轮式赛车，旨在在 4 秒内从 0 加速到 100 公里/小时，最高时速约为 140 公里/小时。FSAE 技术委员会规定流入发动机的空气必须通过 20 毫米直径的限制器。这样做是为了限制发动机的功率能力，并在不同排量发动机的各种车队之间实现发动机性能的统一。这涉及使用限制器。进气系统的基本功能是为节气门体提供空气，然后将其与燃油混合并送入燃烧室。进气系统的构造对发动机在不同转速下的性能有重大影响。

ZFR 01

进气歧管的组成部分

1. 空气滤清器：在方程式赛车中，它是第一个与大气接触的部件。空气通过它进入进气歧管，并被输送到发动机的入口。它过滤空气，使进入进气系统的空气杂质（即灰尘）最小化，这些杂质可能会影响发动机的性能。

   

   进气歧管的空气滤清器

2. 节气门体：节气门阀位于进气系统的入口处，它控制发动机的运行方式及其功率和性能。根据竞赛规则，节气门踏板位于空气限制器之前。

   

   显示蝴蝶阀的节气门体

   

   节气门体

3. 文丘里管：这是所使用的限制器。在其他限制器选项（如孔口、喷嘴）中，文丘里管是最合适的选择，因为它具有最低的

   

   文丘里管的垂直视图

   

   文丘里管的水平视图

4. 进气歧管：由于使用了限制器，为了防止发动机产生真空，因此使用了一个进气歧管。进气歧管是为发动机提供空气的腔室或储气罐。

   

   显示文丘里管流道 的进气歧管

   

   从另一个角度看进气歧管

5. 流道：流道是指将空气从进气歧管输送到节气门体的管道。短流道可以提供良好的高转速性能，而长流道可以提供良好的低转速扭矩。
6. 发动机：发动机的汽缸可以被视为进气的最终目的地。经过整个进气系统后，空气与燃油混合物将通过进气门被吸入汽缸。

   

   带有喷油器和传感器的发动机

   

   安装有节气门体的发动机

拟议模型

1. 进气歧管：由于制造问题，使用圆柱形进气歧管。所用材料是黄铜，进气歧管是通过钎焊制成的。其尺寸为长度 15.6 厘米，直径 10.4 厘米。
2. 流道：它是进气歧管的一部分，使用相同的材料。它是一个均匀面积的管道。它是一个长 10 厘米的流道，其中也包含喷油器，以防止发动机发生任何变化或需要进一步调整。
3. 文丘里管：它是一个收敛-扩散喷嘴，内径为 38 毫米，外径为 44 毫米，长度为 24 厘米，CD 角为 156 度。由于其重量轻和摩擦系数低，该材料为铝。

所用概念

伯努利原理

在流体动力学中，伯努利原理指出，对于非导电流体的无粘性流动，流体速度的增加与压力的降低或流体势能的降低同时发生。伯努利原理的简单形式适用于不可压缩流动（例如大多数液体流动）以及以低马赫数（通常小于 0.3）移动的可压缩流动（例如气体）。在大多数液体流动以及低 马赫数 的气体流动中，流体微团的 密度 可以被认为是恒定的，无论流动中的压力变化如何。因此，流体可以被认为是不可压缩的，这些流动被称为不可压缩流动。伯努利在液体上进行了他的实验，因此他的方程在原始形式中仅对不可压缩流动有效。伯努利方程的一种常见形式，它在流线上的任何 任意 点处都有效，为

${v^{2} \over 2}+gz+{p \over \rho }={\text{constant}}$

(A)

其中

$v\,$ 是流线上的某一点处的流体流动 速度，

$g\,$ 是 地球引力，

$z\,$ 是点相对于参考平面的 海拔，其中正 z 方向向上指向 - 因此与重力加速度方向相反，

$p\,$ 是选定点的 压力，以及

$\rho \,$ 是流体中所有点的密度。

对于保守力场，伯努利方程可以推广为：

${v^{2} \over 2}+\Psi +{p \over \rho }={\text{constant}}$

其中Ψ 是流线上所考虑点上的力势。例如，对于地球的重力，Ψ = gz。

要使该伯努利方程适用，必须满足以下两个假设：

• 流动必须是不可压缩的——即使压力发生变化，密度也必须沿着流线保持不变；
• 粘性力的摩擦必须可以忽略不计。在长管道中，机械能将以热的形式耗散。这种损失可以通过例如使用达西-魏斯巴赫方程来估计。

通过乘以流体密度 $\rho$，方程 (A) 可以改写为

${\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}\,+\,\rho \,g\,z\,+\,p\,=\,{\text{constant}}\,$

或者

$q\,+\,\rho \,g\,h\,=\,p_{0}\,+\,\rho \,g\,z\,=\,{\text{constant}}\,$

其中

$q\,=\,{\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}$ 是动压，

$h\,=\,z\,+\,{\frac {p}{\rho g}}$ 是测压水头或水头（海拔高度z 和压力水头之和），以及

$p_{0}\,=\,p\,+\,q\,$ 是总压（静压p 和动压q 之和）。

伯努利方程中的常数可以归一化。一种常见的方法是使用总水头或能量水头H

$H\,=\,z\,+\,{\frac {p}{\rho g}}\,+\,{\frac {v^{2}}{2\,g}}\,=\,h\,+\,{\frac {v^{2}}{2\,g}},$

上述方程表明，存在一个流速，在该流速下压力为零，而在更高的流速下压力为负。大多数情况下，气体和液体不能承受负的绝对压力，甚至不能承受零压力，因此显然伯努利方程在达到零压力之前就失效了。在液体中——当压力变得过低时——会发生空化现象。上述方程使用流速平方与压力之间的线性关系。在气体中以更高的流速，或在液体中的声波中，质量密度的变化变得显著，因此常密度假设失效。

但是，重要的是要记住，伯努利原理不适用于边界层或流体在长管道中的流动。

不可压缩流方程对气体流动的适用性

伯努利方程有时适用于气体流动：前提是气体流动没有向气体压缩或膨胀传递动能或势能。如果气体压力和体积同时发生变化，那么气体就会做功或被做功。在这种情况下，伯努利方程（不可压缩流动形式）不能被认为是有效的。但是，如果气体过程完全是等压的，或等容的，那么气体不做功或不被做功，（因此简单的能量平衡不会被破坏）。根据气体定律，等压过程或等容过程通常是确保气体密度保持不变的唯一方法。此外，气体密度将与压力和绝对温度之比成正比，但是无论添加或去除多少热量，该比率在压缩或膨胀时都会发生变化。唯一的例外是净热传递为零，如在完整的热力学循环中，或在单个等熵（无摩擦绝热）过程中，即使是这样一个可逆过程也必须被逆转，才能将气体恢复到原始压力和比容，从而恢复密度。只有在这种情况下，原始的、未经修改的伯努利方程才适用。在这种情况下，如果气体的流动速度远低于声速，以至于可以忽略气体密度沿每条流线的（由于这种效应）变化，则可以使用该方程。一般认为，马赫数小于 0.3 的绝热流动足够慢。

在我们的案例中，流动被假定为稳定的和不可压缩的。

管道流动

计算各种空间中使用的管道中的损失。使用了两个管道，一个与节气门体的长度相同。因此，一个在进气歧管之后，但它是进气歧管的一部分，并连接到发动机缸体。另一个在文丘里管之后，它连接到进气歧管，它用于允许将文丘里管轻松固定在进气歧管上。通过推断管道类型（材料、尺寸和形状），我们找出管道的雷诺数。如果 0<Re<1000：层流 1000<Re<无穷大：湍流

|$({p \over \rho g}+{\alpha V^{2} \over 2g+z})1=({p \over \rho g}+{\alpha V^{2} \over 2g}+z)2+hf$|

这是应用于恒定面积管道的公式。这里的 h_f 是管道中的摩擦阻力损失。

次要损失

由于进气歧管中的突然膨胀和收缩，存在一些损失，这些损失是次要损失，可以通过取设备通过的阻力损失（h_m = p/(rho g)）与相关管道系统的速度水头（V2/(2g)）的比率来计算：损失系数 K = h_m/ v²/(2g) = P/(1/2)rho V² 虽然 K 是无量纲的，但它通常与雷诺数和粗糙度比无关，而是与管道的原始尺寸有关。单个管道可能存在多个次要损失。由于所有损失都与 V2/(2g) 相关，因此如果管道被认为具有恒定直径，则可以将它们加起来形成一个单一的总系统损失：h_tot= h_f +:$\sum h$_m = {v^2/2g} (fl/d + $\sum K$)

分析

为了分析流动，使用了 ANSYS FLUENT。进行流动模拟是为了了解文丘里管的 CD 喷嘴的最佳收敛-发散角。该角度影响着涡流的形成和流体分离，也影响着流动的性质，无论是层流、混沌层流还是湍流。它帮助我们分析流动，并进一步对我们的设计进行调整。流动模拟是在 ANSYS FLUENT 上进行的，方法是指定一组影响流动的边界条件，并帮助推断流动形式。广泛的边界条件允许流动进入和离开求解域。定义边界条件包括

1. 识别边界的位置（例如，入口、壁、对称性
2. 提供边界信息

􀂋边界上所需的数据取决于边界条件、类型和使用的物理模型。这些条件必须是已知的或合理近似的。 可用的边界条件类型

􀂋外部面

• 一般 - 压力入口，压力出口
• 不可压缩 - 速度入口，流出
• 可压缩 - 质量流量入口，远场压力，质量流量出口
• 其他 - 壁，对称，轴，周期性
• 特殊 - 入口排气口，出口排气口，进气风机，排气风机

􀂋单元区

• 流体
• 固体
• 多孔介质
• 热交换器

􀂋 内部面

• 风机，内部，多孔跳跃，散热器，壁

另一个重要的方面是采用 轴对称 来减少计算量，以及减少输入并简化流场和几何形状。

拟议的实验分析

为了得出有效的结论并使其具有针对性，我们可以进行一系列实验，这些实验可以帮助我们推断出

1. CBR 250 发动机使用的吸入压力：使用一个压力计，该压力计在一端开口到空气中，另一端通过橡胶管连接到发动机进气头，因此我们得到了大气压力和吸入压力之间的压差，我们得到了压力表的值。
2. 进气歧管压差：使用类似于计算发动机吸气压力的压力计装置，计算进气歧管的压差，这有助于计算进气歧管的局部损失。
3. 文丘里管压差：使用之前使用的同一个压力计，可以再次计算压差，这将有助于优化文丘里管设计并通过 ANSYS Fluent 上的流动模拟计算收敛-发散角。通过此，首先可以推导出文丘里管的边界压力条件，然后，可以确定流动模型和压力出口条件。
4. 节气门体压差：使用与上述相同的压力计和装置，该压差将使我们能够模拟节气门体中的流动，并为我们提供适合我们要求调整发动机的数据。
5. 文丘里管流量：使用一个带有一个流量计（孔板）的空气箱，并使用一个倾斜压力计，其一端连接到空气箱的入口，另一端连接到文丘里管的出口，该出口连接到发动机。有了它，我们可以测量流量和容积效率。

这样做将帮助我们推导出压降，从而推导出进气歧管每个元件的压降。并将帮助我们在流动模拟的边界条件中指定确切值而不是假设值，从而帮助我们提出文丘里管、进气歧管和进气管的最佳设计和形状。