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[摘 要]本文主要对自主设计的FSAE赛车发动机的进气系统进行分析和优化。首先对发动机进气系统通过ANSYS进行流体力学分析，进而优化进气系统形状，从而增大与平衡进气量。
[关键词]FSAE赛车 限流阀 FLUENT 流体分析
中图分类号：U469.6+96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0377-01
1 前言
FSAE规定，为了限制发动机功率，必须在进气系统的节气门与发动机之间安装一个内部截面直径为20mm（使用汽油燃料时）的圆形限流阀，并且所有发动机的进气气流必须流经此限流阀。故节气门与发动机之间要设计的部分包括限流阀、集气室与进气歧管。
2 限流阀尺寸优化
为了在满足大赛对发动机功率限制的要求下，尽可能的减小限流阀对进气量的影响，使发动机功率得到更好的回升。
依据气流通过限流阀的过程将其结构分为三部分：限流阀入口；限流阀喉口；限流阀出口。
2.1 有限元模型
限流閥入口直径与入口锥角对进气摩擦阻力的影响很大，平缓的锥角带来较小的摩擦。定义锥面之间的角度为2φ，φ分别取14°、16°、18°、20°、22°，入口直径D分别取30mm、36mm、38mm、40mm、42mm。出口处气流流速逐渐减小，出口锥角和出口长度会影响压力回升率，故对限流阀整体性能影响最大[1][2]。定义锥面之间的夹角为2θ，θ取4°、5°、6°、8°、10°；出口直径为d，d取50mm、60mm、70mm、80mm。
2.3 限流阀有限元分析
对不同形状的限流阀用相同的前处理与边界条件设置，得出其出口处空气的流量，如表1与表2所示。
对比表1与表2，可以看出，限流阀出口形状对流量的影响比入口程度大；同一出口锥角下，出口直径变大，出口长度增长，流量变大。当出口直径过大时会出现气流与壁面分离的现象。
3 进气系统瞬态分析优化
用CATIA建立两种进气系统的三维模型，分别为易于加工的规则形状，称其为圆筒集气室型进气，及流线较好的曲面集气室，称其为曲面集气室型进气。
3.1 进气系统有限元对比分析
对两种不同形状的集气室用FLUENT进行瞬态模拟分析[3]，从两种集气室的流线动画来看，曲面型进气气流流动情况优于圆筒型进气， 如图1所示。
另一方面，从进气不均匀性方面评价，发动机进气不均匀性用最大不均匀度E表示：
E=（Qmax-Qmin）/Qme
式中：Qmax是歧管最大出口质量流量；Qmin是最小出口质量流量；Qme是平均质量流量。
取某一周期四个出口的最大质量流量并计算两种进气的最大不均匀度[4]。经计算，曲面型进气的进气不均匀度E为12.14%，而圆筒型的E为24.2%，说明曲面型的进气均匀性比圆筒型好，并且曲面型进气各口的质量流量普遍高于圆筒型。
3.2 曲面型进气系统有限元优化分析
（1）歧管倒角对进气不均匀性的影响
集气室与歧管的连接处进行圆角处理，观察进气变化情况[5][6]。通过出口端面质量流量可计算出其进气不均匀度E为11.29%，相比之前有不少提升。
（2）体积大小对进气均匀性的影响
为了探究集气室体积对进气均匀性的影响，建立两个形状相似，体积分别为1.4L和1.7L的曲面集气室型进气，用FLUENT对其进行计算，得出两种模型各个出口的最大质量流量，并计算得1.4L的进气不均匀度为9.52%，1.7L的为6.40%，可见随着集气室体积变大，进气均匀性逐渐变好，并且最大质量流量也稍有所增加，更有利于提高发动机进气和燃烧的质量。
4 结论
根据对进气系统稳态与瞬态的模拟，我们确定了赛车进气系统的尺寸与形状：
（1）限流阀出入口尺寸，入口锥角2φ=32°，入口直径D=40mm，出口锥角2θ=12°，出口直径d=70mm；
（2）集气室选取曲面集气室型进气，体积选取1.7L，并在歧管与集气室连接处进行圆角处理。
并为将来的FSAE赛车进气系统形状和尺寸优化提供了方法和理论依据。
参考文献
[1] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[2] 李志丰.FSAE赛车发动机进气系统改进设计及流场特性分析[D].长沙：湖南大学，2008.
[3] 蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用[M]，北京：科学出版社，2004.
[4] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1998.
[5] 王晗.发动机进气系统不均匀性的三维数值模拟[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（3）.
[6] 周颖.发动机瞬态进气流动特性三维数值模拟研究[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（5）.
[关键词]FSAE赛车 限流阀 FLUENT 流体分析
中图分类号：U469.6+96 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）21-0377-01
1 前言
FSAE规定，为了限制发动机功率，必须在进气系统的节气门与发动机之间安装一个内部截面直径为20mm（使用汽油燃料时）的圆形限流阀，并且所有发动机的进气气流必须流经此限流阀。故节气门与发动机之间要设计的部分包括限流阀、集气室与进气歧管。
2 限流阀尺寸优化
为了在满足大赛对发动机功率限制的要求下，尽可能的减小限流阀对进气量的影响，使发动机功率得到更好的回升。
依据气流通过限流阀的过程将其结构分为三部分：限流阀入口；限流阀喉口；限流阀出口。
2.1 有限元模型
限流閥入口直径与入口锥角对进气摩擦阻力的影响很大，平缓的锥角带来较小的摩擦。定义锥面之间的角度为2φ，φ分别取14°、16°、18°、20°、22°，入口直径D分别取30mm、36mm、38mm、40mm、42mm。出口处气流流速逐渐减小，出口锥角和出口长度会影响压力回升率，故对限流阀整体性能影响最大[1][2]。定义锥面之间的夹角为2θ，θ取4°、5°、6°、8°、10°；出口直径为d，d取50mm、60mm、70mm、80mm。
2.3 限流阀有限元分析
对不同形状的限流阀用相同的前处理与边界条件设置，得出其出口处空气的流量，如表1与表2所示。
对比表1与表2，可以看出，限流阀出口形状对流量的影响比入口程度大；同一出口锥角下，出口直径变大，出口长度增长，流量变大。当出口直径过大时会出现气流与壁面分离的现象。
3 进气系统瞬态分析优化
用CATIA建立两种进气系统的三维模型，分别为易于加工的规则形状，称其为圆筒集气室型进气，及流线较好的曲面集气室，称其为曲面集气室型进气。
3.1 进气系统有限元对比分析
对两种不同形状的集气室用FLUENT进行瞬态模拟分析[3]，从两种集气室的流线动画来看，曲面型进气气流流动情况优于圆筒型进气， 如图1所示。
另一方面，从进气不均匀性方面评价，发动机进气不均匀性用最大不均匀度E表示：
E=（Qmax-Qmin）/Qme
式中：Qmax是歧管最大出口质量流量；Qmin是最小出口质量流量；Qme是平均质量流量。
取某一周期四个出口的最大质量流量并计算两种进气的最大不均匀度[4]。经计算，曲面型进气的进气不均匀度E为12.14%，而圆筒型的E为24.2%，说明曲面型的进气均匀性比圆筒型好，并且曲面型进气各口的质量流量普遍高于圆筒型。
3.2 曲面型进气系统有限元优化分析
（1）歧管倒角对进气不均匀性的影响
集气室与歧管的连接处进行圆角处理，观察进气变化情况[5][6]。通过出口端面质量流量可计算出其进气不均匀度E为11.29%，相比之前有不少提升。
（2）体积大小对进气均匀性的影响
为了探究集气室体积对进气均匀性的影响，建立两个形状相似，体积分别为1.4L和1.7L的曲面集气室型进气，用FLUENT对其进行计算，得出两种模型各个出口的最大质量流量，并计算得1.4L的进气不均匀度为9.52%，1.7L的为6.40%，可见随着集气室体积变大，进气均匀性逐渐变好，并且最大质量流量也稍有所增加，更有利于提高发动机进气和燃烧的质量。
4 结论
根据对进气系统稳态与瞬态的模拟，我们确定了赛车进气系统的尺寸与形状：
（1）限流阀出入口尺寸，入口锥角2φ=32°，入口直径D=40mm，出口锥角2θ=12°，出口直径d=70mm；
（2）集气室选取曲面集气室型进气，体积选取1.7L，并在歧管与集气室连接处进行圆角处理。
并为将来的FSAE赛车进气系统形状和尺寸优化提供了方法和理论依据。
参考文献
[1] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.
[2] 李志丰.FSAE赛车发动机进气系统改进设计及流场特性分析[D].长沙：湖南大学，2008.
[3] 蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用[M]，北京：科学出版社，2004.
[4] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1998.
[5] 王晗.发动机进气系统不均匀性的三维数值模拟[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（3）.
[6] 周颖.发动机瞬态进气流动特性三维数值模拟研究[J].小型内燃机与摩托车，2007，36（5）.