1. 引言
进气增压技术在降低排量的同时还可以保证发动机有不错的动力性。在一般情况下，压差越大，进气越顺畅，进气量就越多。但进气压力的增加和进气充量的增加并不是必然的[1]，不合理的进气口压力反而会使流动阻力增加，降低了发动机的进气充量，从而影响动力性和燃油经济性。因此，研究进气管口压力变化对管内流动阻力的影响，对避免不合理的进气口压力是很重要的。
华晨汽车工程研究院王秀云[2]得出影响发动机功率、转矩的因素主要是可变进气气道的长度、截面积的变化，与稳压腔大小基本无关。同济大学宁珺[3]用Fluent软件对单一歧管进行分析得出，歧管越长压损越多，但在谐振波的作用下可能会存在改变。山东大学能源与动力工程学院高文静[4]得出：进气总管的压力分布对进气均匀性影响很大，同时进气总管中弯管的弯曲曲率对进气均匀性也有很大影响。南昌大学刘霏霏[5]在原有的某发动机可变进气歧管的基础上分析得出，进气歧管越长，外特性曲线的峰值越靠近低速区间。相反，歧管越短，越靠近高速区间。邓彪[6]利用CFD发现进气歧管结构差异显著影响发动机各缸EGR率均匀性。
本文将通过建立进气歧管管内流动过程的数学物理模型，并利用Fluent软件进行数值模拟，获得管内流场速度、漩涡及压力等的分布云图，分析进气管内的流动损失，并对比分析不同进气管口压力下压力分布和流动损失的情况。
2. 进气歧管几何模型建立
发动机在某一个支管工作时，其它支管是不流通的[7]。因此，在忽略总管内压降的条件下，可简化为分析某一支管的管口压力对流动阻力的影响。
Figure 1. Intake manifold geometry model
图1. 进气歧管几何模型
利用CATIA软件建立某1.6 L四缸发动机的单一支管为几何模型，其管的长度为518 mm，管的内径为79.6 mm，支管具有连续且变化的曲率，如图1所示。为方便对支管内部流场进行分析，剔除管壁对仿真的干扰，先利用SODC软件抽取支管内部体积并删除支管的外壁。
3. 仿真结果与分析
3.1. 网格划分
在划分为网格时，全局网格比例因子设置为1，最大网格尺寸为0.004 mm。网格划分完毕后，总网格数为26,365个，且网格质量均高于0.3，网格划分如图2所示。
Figure 2. Intake manifold meshing
图2. 进气歧管网格划分
3.2. 边界条件与参数设置
材料选择为默认空气，采用标准k-epsilon模型之后对边界条件与求解参数进行设置。具体操作如下：
入口边界条件设为压力入口，根据增压发动机的增压出口一般分为低增压比、中增压比和高增压比，范围约为0.10到0.35 MPa入口压力选为0.10 MPa到0.50 MPa，且在入口压力每增长0.05 MPa时进行一次仿真。设置出口为压力出口，其值为0.08 MPa (进、出口压力均设置为绝对压力)。
求解器为基于压力的求解类型，压强速度耦合采用SIMPLE算法，空间离散与松弛因子保持默认不变，收敛残差值设为10e−3。在进行迭代运算之前，需要对模型进行初始化，本文采用标准初始化的方法，对入口进行初始化。初始化完成之后开始进行迭代计算，步数为1000步。
3.3. 压损分析
根据以上的边界条件，得到了不同管口压力下的进气支管中间切面的压力分布云图，不同边界条件的压力分布云图基本相同，仅展示0.10和0.50 Mpa，如图3、4所示。
Figure 3. Pressure distribution cloud of 0.10 MPa at orifice pressure
图3. 管口压力0.10 MPa的压力分布云图
Figure 4. Pressure distribution cloud of 0.50 MPa at orifice pressure
图4. 管口压力0.50 MPa的压力分布云图
从图中不难看出，不同管口压力下进气歧管的压力损失特性几乎不变。气流从入口段进入支管，弯管的曲率先增大后减少，根据流体力学，经过弯管处形成漩涡和二次流，使得左右两侧形成压差，产生局部阻力，且压差随着管口压力的增加不断增加。在入口弯曲处，管口压力为0.10 MPa条件下的压差约为25 Kpa，而管口压力增大到0.50 MPa时压差达到了450 Kpa，在半径为70 mm弯管段，内外两侧压差约为15 Kpa~350 Kpa，在接近出口段弯管段曲率收缩，压差再次升高，内外两侧压差约为20 Kpa~400 Kpa。因此，随着管口压力的增加，其局部阻力损失的增加是压损产生的主要原因之一。进气歧管出口段与中间曲率过渡处为一段直管，该段管内压力分布均匀，沿程损失较小。
利用Fluent软件的后处理功能，计算压力出口与压力入口的压力面积加权均方值，将两者相减即可获得支管的压力损失，其压损数据如表1所示。
Table 1. Pressure loss in the tube
表1. 管内压力损失
| 管口压力MPa |
入口压力加权均值Pa |
出口压力加权均值Pa |
压力损失Pa |
| 0.10 |
87536.1 |
80,000 |
7536.1 |
| 0.15 |
104728.5 |
24728.5 |
| 0.20 |
120965.9 |
40965.9 |
| 0.25 |
136455.6 |
56455.6 |
| 0.30 |
151174.3 |
71174.3 |
| 0.35 |
166022.0 |
86022.0 |
| 0.40 |
180512.2 |
100512.2 |
| 0.45 |
194561.3 |
114561.3 |
| 0.50 |
208397.1 |
128397.1 |
歧管内部压力损失随着管口压力增加而增大，但这并不能充分地表明管口压力的利用程度。
使用压损率可以更加清晰地表明管口压力的数值与压损的关系，此处定义压损率为压力损失与边界条件下的入口压力和出口压力的差值的比值。压损率表征着入口压力的利用程度，压损率越低，表明该边界条件下的压力损失少，即能量利用率高，反之则低。
Figure 5. Change curve of pressure loss rate
图5. 压损率曲线
通过oringn进行三次样条插值获得区间内的压损率函数，如图5所示。压损率随着管口压力的提高而降低，管口压力在0.10 MPa到0.15 MPa区间内降低最多，压损率从37.68%降低至35.33%，压损率降低了2%。在0.15 MPa到0.20 MPa区间内缓慢下降，分别下降了0.9%和0.8%。在0.20 MPa到0.50 MPa内下降进一步平缓，平均每次降低了0.43%。因此，在仅考虑压损的情况下，增压器出口的压力在能经过进气歧管前段的压降后应能达到0.15 MPa以上，且尽量选择高增压比的增压器来提高进气歧管的管口压力。
3.3. 流量分析
出口处质量流量可以更加直观的表示出管口压力对发动机充量系数的影响。利用Fluent中的Report功能计算出各管口压力下的出口处的质量流量并取绝对值，如表2所示。
Table 2. Manifold outlet flow
表2. 歧管出口流量
| 入口压力Mpa |
出口质量流量kg/s |
| 0.10 |
0.21192655 |
| 0.15 |
0.40379965 |
| 0.20 |
0.53347561 |
| 0.25 |
0.63936744 |
| 0.30 |
0.73193408 |
| 0.35 |
0.81376596 |
| 0.40 |
0.88879499 |
| 0.45 |
0.95879009 |
| 0.50 |
1.024376 |
如图6所示，出口流量随着管口压力的增加而增加，但出口流量的增长速率随着管口压力的增加缓慢减少。在管口压力为0.10 MPa到0.15 MPa区间内，出口的质量流量提升最明显，提高约0.19 kg/s，而0.45 MPa到0.50 MPa区间内出口处的质量流量仅提升了0.06 kg/s。
因此，选择0.15 MPa的管口压力对发动机充气系数的提升效果最显著。
Figure 6. Change curve of outlet mass flow rate
图6. 出口质量流量变化曲线
如图6所示，出口流量随着管口压力的增加而增加，但出口流量的增长速率随着管口压力的增加缓慢减少。在管口压力为0.10 MPa到0.15 MPa区间内，出口的质量流量提升最明显，提高约0.19 kg/s，而0.45 MPa到0.50 MPa区间内出口处的质量流量仅提升了0.06 kg/s。
因此，选择0.15 MPa的管口压力对发动机充气系数的提升效果最显著。
4. 结论
本文对不同管口压力工况条件下的管内流动过程进行仿真计算，并对结果进行对比分析，得出：
1. 管口压力对歧管内部的压力分布特性和流速分布特性无明显影响。
2. 歧管内部的流动损失随着管口压力的增大而增大，但其增长速率随着管口压力的增加而减少，在0.10~0.15 MPa区间到0.15~0.20 MPa区间转变时压损率降低明显。发动机通过进气歧管的充量系数随着管口压力的增加而逐渐增大，但是其增长速率随管口压力的增加而变缓，这与压损的变化趋势类似。