摘 要

进气歧管是汽车发动机上的重要部件之一，进气歧管的设计直接关联到发动机的动力性，经济性，安全可靠性等性能。进气歧管的结构，长度和流动特性将会影响到发动机的进气阻力，各缸均匀性以及气缸内部的气体流动，随着现在高性能发动机的研发改进，对进气歧管的设计要求越来越高。

传统的进气歧管设计，在检测进气歧管的性能是，一般采用稳流实验，但是，这种实验方式有不可避免的缺陷，首先是稳流实验本身的成本很高，并且相比于仿真分析来说，需要花费更多的时间，然后，在数据的采集上无法得到详细的三维流场数据，相比于可以获得进气岐管任意一点的流场信息的仿真分析，使得设计者设计的难度增大，难以得到最优的方案，更对情况下，设计者只能凭借经验来完善。

随着科技的发展，电脑技术的不断进步，越来越多的分析软件步入设计者的眼帘。STAR-CCM 软件是一款功能强大的流体分析软件，利用该软件，可以将利用电脑绘图软件如CATIA，UG等制作出的三维模型导入软件，通过对边界条件的设定，完成对模型的模拟分析，并且可以得到，在该边界条件下，模型的详细的三维流场信息，通过对模拟物理量的设定，可以研究气动声学，热力学等问题。

本文通过利用CATIA软件对某四缸发动机的进气歧管建立三维实体模型，然后利用STAR-CCM 对进气歧管三维几何模型进行网格划分，建立进气岐管三维流体分析CFD网格模型，并对该三维模型进行分析，完成速度场、压力场的计算。然后在保证其他条件不变的情况下，改变岐管长度，分析各岐管长度变化对压力均匀性以及进气噪声品质的影响。

关键词：进气歧管；流场分析；气动声学

Abstract

The intake manifold is one of the important parts of automobile engine, power, intake manifold design is directly related to the engine of the economy, safety and reliability performance. The structure of the intake manifold, intake resistance length and flow characteristics will affect the uniformity of each cylinder of the engine, and the gas flow inside the cylinder, now with the development of high performance the improvement of the engine, the intake manifold design requirements more and more high.

The traditional design of the intake manifold, intake manifold in the performance test is generally used, steady flow test, but the experiment has inevitable shortcomings, first is the steady flow test itself cost is very high, and compared to the simulation analysis, need to spend more time, then, unable to obtain detailed data in 3D flow data collection, analysis and Simulation of flow field information can be obtained compared to the intake manifold of an arbitrary point, increasing the designer design difficulty, it is difficult to get the best solution for more cases, designers rely on experience to perfect.

With the development of science and technology, progress of computer technology, analysis software more and more into the designer's eyes.STAR-CCM software is a powerful fluid analysis software, the software can use computer graphics software such as CATIA, 3D model into the software UG produced, based on the boundary conditions set, complete simulation analysis of the model, and can be obtained in the boundary conditions, the detailed three-dimensional flow field information model, through the simulation of physical quantity setting, can study the aerodynamic acoustics, thermodynamics and other issues.

In this paper, the three-dimensional entity model is established by using CATIA software on the intake manifold of a four cylinder engine, and then use STAR-CCM to mesh the three-dimensional geometric model of the intake manifold, intake manifold to establish three-dimensional analysis of CFD grid model and the three-dimensional model analysis, complete the velocity field, pressure field calculation. Then in the other conditions under the condition of constant change, manifold length, length changes of the manifold analysis on pressure uniformity and intake noise quality.

Keywords: Intake manifold; Flow field analysis; Aero acoustics

目 录

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景目的及意义 1

1.2 课题研究现状 2

1.2.1 进气歧管流场模拟 2

1.2.2 气动噪声模拟 3

1.2.3 现状小结 5

1.3 课题研究的主要内容 5

1.3.1 主要研究步骤 5

1.3.2 主要章节概述 5

第2章 理论基础 7

2.1 气体运动控制方程 7

2.1.1质量守恒方程 7

2.1.2动量守恒方程 8

2.1.3能量守恒方程 8

2.1.4湍流模型 8

2.2 流动噪声基础及模型选用 9

2.2.1声压级定义 10

2.2.2气动噪声的模拟选用 10

2.3 本章小结 11

第3章 进气歧管的模型建立及速度场压力场计算结果 12

3.1 前处理 12

3.1.1三维几何模型的建立 12

3.1.2 网格处理 13

3.2求解边界条件及收敛条件、物理模型及气体流动方案 14

3.2.1 边界条件及收敛条件 14

3.2.2气体流动方案 15

3.3创建区域以及设置初始条件 16

3.4 物理模型选择 17

3.5 后处理 18

3.5.1 压力图的取得步骤 18

3.5.2 压力截面图的取得步骤 18

3.5.3 速度截面图的取得步骤 19

3.5.4 速度矢量截面图的取得步骤 19

3.5.5 声场的取得步骤 19

3.6 压力场与速度场的结果 19

3.7本章小结 24

第4章 不同进气歧管长度的压力均匀性与噪声阶次分析 25

4.1 新进气岐管三维网格模型的建立 25

4.2 压力均匀性分析 25

4.2.1两岐管的出口压数据 25

4.2.2 数据分析 25

4.3 两进气岐管噪声模拟分析 26

4.3.1原进气岐管的噪声模拟结果 26

4.3.2增长10mm的进气歧管噪声分析结果 27

4.3.3 结果分析 28

4.4 本章小结 29

第5章 全文总结 30

5.1 总结 30

5.2 改进与未来研究方向 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1课题研究背景目的及意义

从1866年，德国的工程师尼古拉斯·奥托^[1]成功试制出第一台具有划时代的历史意义的立式四冲程内燃机至今，内燃机在汽车上的应用逐步成熟，汽车在当今社会已经成为不可或缺的交通工具。虽然人们一直致力于新动力的研究,燃料电池发动机，插电式发动机，氢能源发动机等逐渐问世，然而毫无疑问这些新型的发动机由于各自的缺陷，无法完全取代传统的内燃机，可以预见在今后相当长的一段时期内,内燃机因其特有的优点仍将处于不可替代的地位。因此，人们对内燃机提出了更多的要求，未来的发动机发展方向是低排放、低油耗、低噪声、高的比功率、比扭矩以及便于大量生产、降低成本。

发动机性能与充气效率有很大关系,而充气效率又受进气流动状态影响,影响进气流动状态的一个重要因素就是进气歧管形状及结构。进气歧管作为发动机的一个主要部件,不仅影响发动机缸内空气充量大小和进气涡流强度,而且还是发动机电喷系统主要零部件的安装支撑结构,对汽车发动机整体性能(动力性、经济性、排放性等)有着决定性的影响。因此，对进气歧管的优化设计，成为进一步提高发动机性能的一种有效方法。在实际的设计流程中,鉴于进气歧管结构较为复杂,设计者大都采用稳流试验来评价进气歧管性能,然后根据直觉和所积累经验对设计进行反复修改优化。试验方法有盲目、局限、周期长、价格昂贵等缺点,而且,所得结果只能衡量综合流量,表征宏观特性,而并不能获得各个流场内部的详细信息,不能为更好地改善进气歧管性能提供足够的信息。

随着计算机领域的发展，计算流体动力学（CFD — Computational Fluid Dynamics）成为解决进气歧管流场问题的一种新的有效的手段。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。通过利用三维制图软件建立出三维模型后，导入流体分析软件中，建立三维流体分析CFD模型，再通过设置边界条件，计算模型与模拟的流体性质，利用电脑分析计算出所需要的进气歧管的各个参数，并且随着软件的不断完善，最终数值模拟的结果也越来越准确。