学生方程式赛车大赛要求参赛学生依照大赛规则设计并制造一辆方程式赛车，比赛规则对发动机的排量和进气系统做出了规定和限制，本文简要介绍发动机进气系统设计情况，利用ANSYS中的FLUENT模块对其进行稳态与瞬态模拟，优化参数和结构，以增大与平衡发动机各缸进气量。
1 限流阀仿真分析
大赛设置限流阀的主要目的在于限制发动机功率，因此，应尽量降低限流阀对气流的阻碍，增大进气量，提高发动机功率。本文建立不同入口、出口尺寸限流阀的三维模型，用ANSYS进行流体仿真并对比分析，观察其流量、压强等参数[1]。限流阀结构如图1所示。
1.1 有限元模型
限流阀入口控制尺寸为直径与锥角，在这一过程的损失主要来自摩擦阻力，为了减小摩擦，应该尽量选取较小的锥角。并设定限流阀入口处的锥角为φ，入口直径为D。
出口控制尺寸为长度和出口锥角，由于长度和出口直径是成正比关系的，故仿真时使用出口直径计算。这一过程气流流速逐渐减小，压力回升，回升率的大小决定性能好坏，并且对进气量的影响程度大于入口尺寸。定义锥面之间的夹角为θ，出口直径为d。
1.2 有限元分析
（1）湍流方程与边界条件
FLUENT中用的较多的湍流模型有雷诺兹压力模型、Spalart-Allmaras模型，大型艾迪仿真模型、标准RNG模型、标准Realizable k-ε模型等。本文选用标准k-ε湍流模型[2]。
计算区域的边界包括进出口边界和固体壁面两种：
①进出口边界。进口边界条件和出口边界条件为别设为1atm和0.98atm；湍流强度为5%，湍流粘度比为0.5。
②固壁边界。固壁边界为壁面，速度选取无滑移 [3]。
（2）限流阀形状分析
不同形状限流阀出口处空气流量如表1与表2所示。
从表1可以看出，入口錐角角度、入口直径越小流量越大，但总体变化不明显；从表2得出，当出口直径固定不变时，如果取较大的出口锥角，则出口长度会随之减小，导致气体流量减小；当出口锥角固定不变时，如果取较大的出口直径，出口长度也会随之增大，从而导致气体流量增大，将两个表格进行对照可以发现，限流阀出口形状对流量的影响比入口程度大。
2 集气室仿真优化
FSAE大赛发展至今，发动机进气系的设计样式已经存在很多种，其主要区别表现在集气室上。多缸发动机中各缸进气的不均匀性，会导致各缸空燃比的不同，从而使各缸燃烧过程产生差异[4]。本文对两种不同形状集气室的进气系统进行瞬态分析，对比其进气不均匀性和气流流动情况。
2.1 进气系统模型
利用CATIA进行建模，得到了如图2所示的两种进气系统的三维模型，两种进气系统集气室形状不同，二者各有优点，左侧的进气系统采用圆筒形的集气室，这种进气系统形状简单，制造难度小；而右侧进气系统的集气室形状为曲面的，这种进气系统最大的优点是流线型好，气体流动阻力小。建立模型时，两种进气系统的集气室体积均为1L。
2.2 进气系统有限元对比分析
（1）湍流方程与边界条件
瞬态模拟中，除出口边界为UDF编写的周期压力函数外，其余与限流阀相同。本文模拟计算发动机在8000转时进气系统中的气流状态 [5]。
（2）进气系统集气室形状选取
通过对两种不同类型的进气系统进行分析得到如图3和图4所示的进气状态模拟图，通过对比发现，图4中的气体流动更加平稳顺畅，气体流动效果好，故曲面型进气系统的进气效果更好。
另外，发动机进气不均匀性越小，进气效果越好，该性能可以用最大不均匀度E来评价[6]：
E = （Qmax - Qmin ） /Qme
式中：Qmax——歧管出口质量流量最大值；
Qmin——歧管出口质量流量最小值；
Qme——歧管出口质量流量平均值。
某一周期各歧管的最大质量流量如表3与4所示，由表中的数据可以计算出曲面型和圆筒型的进气系统的进气不均匀度分别是12.14%和24.2%，由此可知曲面型进气系统的进气状态更加均匀，进气效果好，且各出口的质量流量更大。
2.3 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
将曲面型进气的集气室与歧管连接处做圆角处理，可得到进气不均匀度E降低为11.29%。
（2）体积对进气均匀性的影响
建立两种体积为1.4L与1.7L的曲面型进气系统模型，以分析集气室体积对进气均匀性的影响，通过FLUENT仿真，得到两种模型各出口的最大質量流量如表5与表6。
由上述数据可知，1.4L的进气不均匀度为9.52%，1.7L
为6.40%，因此随着集气室体积增大，发动机进气更加均匀，进气量也稍有增加，能够提高燃烧的质量和发动机功率。
3 结论
根据对进气系统限流阀与集气室的分析结果，同时考虑布置空间和比赛规则，我们可以确定进气系统的尺寸与形状，具体如下：
（1）限流阀入口和出口锥角分别取32°和12°，入口和出口直径分别取40mm和70mm；
（2）采用1.7L的曲面型集气室进气系统，并对歧管和集气室连接处做圆角处理。
参考文献
[1] 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.
[2] 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.
[3] 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.
[4] 周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，1998.
[5] 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）.
[6] 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）.
