流體力學應用/A50：汽車進氣歧管最佳化

本專案涉及汽車進氣歧管的最佳化，其中考慮了方程式賽車協會 (FSAE) 車輛的一個特殊案例。該汽車是一種輪式賽車，旨在在 4 秒內從 0 加速到 100 公里/小時，最高時速約為 140 公里/小時。FSAE 技術委員會規定流入發動機的空氣必須透過 20 毫米直徑的限制器。這樣做是為了限制發動機的功率能力，並在不同排量發動機的各種車隊之間實現發動機效能的統一。這涉及使用限制器。進氣系統的基本功能是為節氣門體提供空氣，然後將其與燃油混合並送入燃燒室。進氣系統的構造對發動機在不同轉速下的效能有重大影響。

ZFR 01

進氣歧管的組成部分

1. 空氣濾清器：在方程式賽車中，它是第一個與大氣接觸的部件。空氣透過它進入進氣歧管，並被輸送到發動機的入口。它過濾空氣，使進入進氣系統的空氣雜質（即灰塵）最小化，這些雜質可能會影響發動機的效能。

   

   進氣歧管的空氣濾清器

2. 節氣門體：節氣門閥位於進氣系統的入口處，它控制發動機的執行方式及其功率和效能。根據競賽規則，節氣門踏板位於空氣限制器之前。

   

   顯示蝴蝶閥的節氣門體

   

   節氣門體

3. 文丘裡管：這是所使用的限制器。在其他限制器選項（如孔口、噴嘴）中，文丘裡管是最合適的選擇，因為它具有最低的

   

   文丘裡管的垂直檢視

   

   文丘裡管的水平檢視

4. 進氣歧管：由於使用了限制器，為了防止發動機產生真空，因此使用了一個進氣歧管。進氣歧管是為發動機提供空氣的腔室或儲氣罐。

   

   顯示文丘裡管流道 的進氣歧管

   

   從另一個角度看進氣歧管

5. 流道：流道是指將空氣從進氣歧管輸送到節氣門體的管道。短流道可以提供良好的高轉速效能，而長流道可以提供良好的低轉速扭矩。
6. 發動機：發動機的汽缸可以被視為進氣的最終目的地。經過整個進氣系統後，空氣與燃油混合物將透過進氣門被吸入汽缸。

   

   帶有噴油器和感測器的發動機

   

   安裝有節氣門體的發動機

擬議模型

1. 進氣歧管：由於製造問題，使用圓柱形進氣歧管。所用材料是黃銅，進氣歧管是透過釺焊製成的。其尺寸為長度 15.6 釐米，直徑 10.4 釐米。
2. 流道：它是進氣歧管的一部分，使用相同的材料。它是一個均勻面積的管道。它是一個長 10 釐米的流道，其中也包含噴油器，以防止發動機發生任何變化或需要進一步調整。
3. 文丘裡管：它是一個收斂-擴散噴嘴，內徑為 38 毫米，外徑為 44 毫米，長度為 24 釐米，CD 角為 156 度。由於其重量輕和摩擦係數低，該材料為鋁。

所用概念

伯努利原理

在流體動力學中，伯努利原理指出，對於非導電流體的無粘性流動，流體速度的增加與壓力的降低或流體勢能的降低同時發生。伯努利原理的簡單形式適用於不可壓縮流動（例如大多數液體流動）以及以低馬赫數（通常小於 0.3）移動的可壓縮流動（例如氣體）。在大多數液體流動以及低 馬赫數 的氣體流動中，流體微團的 密度 可以被認為是恆定的，無論流動中的壓力變化如何。因此，流體可以被認為是不可壓縮的，這些流動被稱為不可壓縮流動。伯努利在液體上進行了他的實驗，因此他的方程在原始形式中僅對不可壓縮流動有效。伯努利方程的一種常見形式，它在流線上的任何 任意 點處都有效，為

${v^{2} \over 2}+gz+{p \over \rho }={\text{constant}}$

(A)

其中

$v\,$ 是流線上的某一點處的流體流動 速度，

$g\,$ 是 地球引力，

$z\,$ 是點相對於參考平面的 海拔，其中正 z 方向向上指向 - 因此與重力加速度方向相反，

$p\,$ 是選定點的 壓力，以及

$\rho \,$ 是流體中所有點的密度。

對於保守力場，伯努利方程可以推廣為：

${v^{2} \over 2}+\Psi +{p \over \rho }={\text{constant}}$

其中Ψ 是流線上所考慮點上的力勢。例如，對於地球的重力，Ψ = gz。

要使該伯努利方程適用，必須滿足以下兩個假設：

• 流動必須是不可壓縮的——即使壓力發生變化，密度也必須沿著流線保持不變；
• 粘性力的摩擦必須可以忽略不計。在長管道中，機械能將以熱的形式耗散。這種損失可以透過例如使用達西-魏斯巴赫方程來估計。

透過乘以流體密度 $\rho$，方程 (A) 可以改寫為

${\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}\,+\,\rho \,g\,z\,+\,p\,=\,{\text{constant}}\,$

或者

$q\,+\,\rho \,g\,h\,=\,p_{0}\,+\,\rho \,g\,z\,=\,{\text{constant}}\,$

其中

$q\,=\,{\tfrac {1}{2}}\,\rho \,v^{2}$ 是動壓，

$h\,=\,z\,+\,{\frac {p}{\rho g}}$ 是測壓水頭或水頭（海拔高度z 和壓力水頭之和），以及

$p_{0}\,=\,p\,+\,q\,$ 是總壓（靜壓p 和動壓q 之和）。

伯努利方程中的常數可以歸一化。一種常見的方法是使用總水頭或能量水頭H

$H\,=\,z\,+\,{\frac {p}{\rho g}}\,+\,{\frac {v^{2}}{2\,g}}\,=\,h\,+\,{\frac {v^{2}}{2\,g}},$

上述方程表明，存在一個流速，在該流速下壓力為零，而在更高的流速下壓力為負。大多數情況下，氣體和液體不能承受負的絕對壓力，甚至不能承受零壓力，因此顯然伯努利方程在達到零壓力之前就失效了。在液體中——當壓力變得過低時——會發生空化現象。上述方程使用流速平方與壓力之間的線性關係。在氣體中以更高的流速，或在液體中的聲波中，質量密度的變化變得顯著，因此常密度假設失效。

但是，重要的是要記住，伯努利原理不適用於邊界層或流體在長管道中的流動。

不可壓縮流方程對氣體流動的適用性

伯努利方程有時適用於氣體流動：前提是氣體流動沒有向氣體壓縮或膨脹傳遞動能或勢能。如果氣體壓力和體積同時發生變化，那麼氣體就會做功或被做功。在這種情況下，伯努利方程（不可壓縮流動形式）不能被認為是有效的。但是，如果氣體過程完全是等壓的，或等容的，那麼氣體不做功或不被做功，（因此簡單的能量平衡不會被破壞）。根據氣體定律，等壓過程或等容過程通常是確保氣體密度保持不變的唯一方法。此外，氣體密度將與壓力和絕對溫度之比成正比，但是無論新增或去除多少熱量，該比率在壓縮或膨脹時都會發生變化。唯一的例外是淨熱傳遞為零，如在完整的熱力學迴圈中，或在單個等熵（無摩擦絕熱）過程中，即使是這樣一個可逆過程也必須被逆轉，才能將氣體恢復到原始壓力和比容，從而恢復密度。只有在這種情況下，原始的、未經修改的伯努利方程才適用。在這種情況下，如果氣體的流動速度遠低於聲速，以至於可以忽略氣體密度沿每條流線的（由於這種效應）變化，則可以使用該方程。一般認為，馬赫數小於 0.3 的絕熱流動足夠慢。

在我們的案例中，流動被假定為穩定的和不可壓縮的。

管道流動

計算各種空間中使用的管道中的損失。使用了兩個管道，一個與節氣門體的長度相同。因此，一個在進氣歧管之後，但它是進氣歧管的一部分，並連線到發動機缸體。另一個在文丘裡管之後，它連線到進氣歧管，它用於允許將文丘裡管輕鬆固定在進氣歧管上。透過推斷管道型別（材料、尺寸和形狀），我們找出管道的雷諾數。如果 0<Re<1000：層流 1000<Re<無窮大：湍流

|$({p \over \rho g}+{\alpha V^{2} \over 2g+z})1=({p \over \rho g}+{\alpha V^{2} \over 2g}+z)2+hf$|

這是應用於恆定面積管道的公式。這裡的 h_f 是管道中的摩擦阻力損失。

次要損失

由於進氣歧管中的突然膨脹和收縮，存在一些損失，這些損失是次要損失，可以透過取裝置透過的阻力損失（h_m = p/(rho g)）與相關管道系統的速度水頭（V2/(2g)）的比率來計算：損失係數 K = h_m/ v²/(2g) = P/(1/2)rho V² 雖然 K 是無量綱的，但它通常與雷諾數和粗糙度比無關，而是與管道的原始尺寸有關。單個管道可能存在多個次要損失。由於所有損失都與 V2/(2g) 相關，因此如果管道被認為具有恆定直徑，則可以將它們加起來形成一個單一的總系統損失：h_tot= h_f +:$\sum h$_m = {v^2/2g} (fl/d + $\sum K$)

分析

為了分析流動，使用了 ANSYS FLUENT。進行流動模擬是為了瞭解文丘裡管的 CD 噴嘴的最佳收斂-發散角。該角度影響著渦流的形成和流體分離，也影響著流動的性質，無論是層流、混沌層流還是湍流。它幫助我們分析流動，並進一步對我們的設計進行調整。流動模擬是在 ANSYS FLUENT 上進行的，方法是指定一組影響流動的邊界條件，並幫助推斷流動形式。廣泛的邊界條件允許流動進入和離開求解域。定義邊界條件包括

1. 識別邊界的位置（例如，入口、壁、對稱性
2. 提供邊界資訊

􀂋邊界上所需的資料取決於邊界條件、型別和使用的物理模型。這些條件必須是已知的或合理近似的。 可用的邊界條件型別

􀂋外部面

• 一般 - 壓力入口，壓力出口
• 不可壓縮 - 速度入口，流出
• 可壓縮 - 質量流量入口，遠場壓力，質量流量出口
• 其他 - 壁，對稱，軸，週期性
• 特殊 - 入口排氣口，出口排氣口，進氣風機，排氣風機

􀂋單元區

• 流體
• 固體
• 多孔介質
• 熱交換器

􀂋 內部面

• 風機，內部，多孔跳躍，散熱器，壁

另一個重要的方面是採用 軸對稱 來減少計算量，以及減少輸入並簡化流場和幾何形狀。

擬議的實驗分析

為了得出有效的結論並使其具有針對性，我們可以進行一系列實驗，這些實驗可以幫助我們推斷出

1. CBR 250 發動機使用的吸入壓力：使用一個壓力計，該壓力計在一端開口到空氣中，另一端透過橡膠管連線到發動機進氣頭，因此我們得到了大氣壓力和吸入壓力之間的壓差，我們得到了壓力錶的值。
2. 進氣歧管壓差：使用類似於計算發動機吸氣壓力的壓力計裝置，計算進氣歧管的壓差，這有助於計算進氣歧管的區域性損失。
3. 文丘裡管壓差：使用之前使用的同一個壓力計，可以再次計算壓差，這將有助於最佳化文丘裡管設計並透過 ANSYS Fluent 上的流動模擬計算收斂-發散角。透過此，首先可以推匯出文丘裡管的邊界壓力條件，然後，可以確定流動模型和壓力出口條件。
4. 節氣門體壓差：使用與上述相同的壓力計和裝置，該壓差將使我們能夠模擬節氣門體中的流動，併為我們提供適合我們要求調整發動機的資料。
5. 文丘裡管流量：使用一個帶有一個流量計（孔板）的空氣箱，並使用一個傾斜壓力計，其一端連線到空氣箱的入口，另一端連線到文丘裡管的出口，該出口連線到發動機。有了它，我們可以測量流量和容積效率。

這樣做將幫助我們推匯出壓降，從而推匯出進氣歧管每個元件的壓降。並將幫助我們在流動模擬的邊界條件中指定確切值而不是假設值，從而幫助我們提出文丘裡管、進氣歧管和進氣管的最佳設計和形狀。