摩托车发动机进气道流动数值模拟研究

论文摘要

在摩托车发动机的开发设计中,进气道的结构设计直接关系到发动机的燃烧充分性、废气排放、废气能量再利用以及发动机的动力性和经济性。传统的进气道设计优化模式是在气道稳流实验台上反复地进行对比试验,不但时间周期长而且带有一定的盲目性。因此,基于进气道三维模型的流动数值模拟计算可将进气道流场可视化,能直观地显示出流动结构的不合理之处,无疑是一种低成本、高效率的开发方式,使进气道的设计优化具有针对性。本文通过气道稳流试验采集原型机进气道流量系数及滚流比,通过激光扫描获得原型机进气道基础结构数据,利用三维CAD软件CATIA建立原型机进气道的几何模型,在专业发动机CFD分析软件FIRE软件平台上,对原型机进气道进行三维稳态数值模拟,以获得该进气道的流量系数、滚流比及流场中速度、压力等关键参数的详细分布。通过综合分析、评价原型机进气道的流场及性能,提出了原型机进气道的优化设计方案,对优化设计的进气道性能及流场进行了对比分析,并通过发动机台架试验验证优化技术方案的可行性。试验结果表明,优化设计的进气道有效地提升了发动机的性能,功率较原型机提升4.29%,扭矩提升4.41%,达到设计优化目标。本论文的研究应用CAD/CFD相结合的手段,在成功完成LC162FMI项目进气道优化设计任务的基础上,形成发动机进气道的现代设计开发方法及流程,为今后发动机进气道的设计开发提供指导和借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 发动机进气道研究的发展
• 1.3 进气道流动数值模拟的研究现状
• 1.3.1 国外进气道流动数值模拟研究的现状
• 1.3.2 国内进气道流动数值模拟的研究现状
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 LC162FMI 发动机进气道稳流试验
• 2.1 气道稳流实验台结构
• 2.2 试验评价方法
• 2.2.1 Ricardo 方法
• 2.2.2 FEV 方法
• 2.2.3 AVL 方法
• 2.3 稳流实验数据及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 进气道气体流动的数值模拟基础
• 3.1 仿真平台介绍
• 3.2 计算流体动力学控制方程
• 3.2.1 质量守恒方程
• 3.2.2 动量守恒方程
• 3.2.3 能量方程
• 3.2.4 湍流输运方程
• 3.3 控制方程的离散化
• 3.3.1 有限差分法（Finite Difference Method，FDM）
• 3.3.2 有限元法（Finite Element Method，FEM）
• 3.3.3 有限体积法（Finite Volume Method，FVM）
• 3.4 离散方程组的求解方法
• 3.5 本章小结
• 第4章 LC162FMI 发动机进气道气流稳态数值模拟
• 4.1 进气道几何模型的建立
• 4.2 计算网格的划分
• 4.3 求解器的设置
• 4.4 计算模型的验证
• 4.5 模拟计算结果分析
• 4.5.1 进气道性能评测
• 4.5.2 截面的选取
• 4.5.3 气道速度分布图的分析
• 4.5.4 气道总压分布图分析
• 4.5.5 气道湍动能分布图分析
• 4.5.6 速度矢量迹线图分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 LC162FMI 发动机进气道优化设计及试验研究
• 5.1 气道结构的影响分析
• 5.2 进气道优化方案的设计
• 5.3 优化方案与原方案对比分析
• 5.3.1 流量系数及滚流比对比
• 5.3.2 气道速度分布图对比
• 5.3.3 气道总压分布图对比
• 5.3.4 气道湍动能分布图对比
• 5.3.5 速度矢量迹线图对比
• 5.4 优化方案验证
• 5.4.1 气道稳流试验台验证
• 5.4.2 发动机台架性能验证
• 5.5 本章小结
• 第6章 全文总结及工作展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢