FASE方程式赛车进气系统设计说明书.docx
- 文档编号:9192295
- 上传时间:2023-05-17
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:1.93MB
FASE方程式赛车进气系统设计说明书.docx
《FASE方程式赛车进气系统设计说明书.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《FASE方程式赛车进气系统设计说明书.docx(18页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
FASE方程式赛车进气系统设计说明书
进气系统设计说明书
前言
第1章设计要求
1.1FSEA关于进气系统的主要要求
第2章进气方案
2.1进气系统基本结构
2.2进气形式
2.3进气管形式
2.3.1方案一
2.3.2方案二
2.3.3方案三
第3章各部件基本参数设计
3.1节气门口径
3.2进气总管长度
3.3稳压腔体积
3.4进气歧管长度
第4章流场分析
4.1分析软件介绍
4.2模型网格划分与边界条件初定义
4.3进气总管分析
4.4稳压腔分析
4.5进气歧管长度分析验证
第5章加工装配
5.1加工装配
前言
本设计课题来自我校中国大学生方程式汽车大赛项目课题。
该赛事意在培养汽车工程方向及相关专业的在校大学生、研究生的创新力,团队协作能力。
在为期8-12个月的时间里完成一辆小型方程式赛车的设计与制造,并成功完成比赛。
该赛事从2010年在中国开始举办,我校成功完成了2011赛季。
本文结合了2011年宁远车队的设计经验,完成了2012赛季的进气系统的设计与优化。
第一章设计要求
1.1FSAE规则对进气系统的限制
进气系统必须不能超出外框
节气门必须为机械控制
进气歧管必须用支架或机械固定
为限制发动机功率,一个内部截面为圆形的限流阀必须安装在进气
系统的节气门与发动机之间,并且所有发动机的进气气流都应流经此
限流阀(最大直径20mm,且截面不能发生变化)
第二章进气方案
2.1进气系统基本结构
进气系统包含了空滤器、节气门、进气总管、进气歧管、进气门。
由于规则的限制,进气系统的设计主要体现在进气总管和进气歧管上,这两部分需要加工制作。
2.2进气形式
进气方式主要分为三大类:
自然进气:
引擎的运作在气缸内产生的负压,将外部的空气吸入气缸内。
这是汽车最传统进气方式,动力输出平稳,维护简单,但在
高转速下乏力。
涡轮增压:
涡轮增压器的两侧涡轮叶片连接发动机的进气管和排气管,
在引擎运作的情况下,利用排出的废气推动排气涡轮叶片,
从而带动进气涡轮叶片吸入空气,利用离心增压原理达到增
压的效果。
机械增压:
机械增压器采用皮带与引擎曲轴皮带盘连接,利用引擎转速
来带动机械增压器内部叶片,以产生增压空气送入引擎进气
歧管内。
其优点是涡轮转速与曲轴相同,没有滞后现象,动
力输出平稳。
由于要消耗发动机的能量,增压的效率并不高。
根据实际情况来看,涡轮增压和机械增压都能增加充气效率,提高发动机的效率。
但是涡轮增压使得发动机的零部件长期处于高负荷当中,日后的维护成本很高,维修也不方便。
更重要的是在低转速下涡轮有迟滞现象,输出不线性,不利于操控。
机械增压则需要对发动机内部进行改动,而且效率不如涡轮增压。
反观自然进气,虽然没有增压器,但可以通过改动进气管提高充气效率,重要的是动力输出线性,针对赛场的情况,发动机处于中低转速的情况较多,所以避免了高转速下的乏力。
综上所述选择自然吸气更为符合我们的情况。
2.3进气管形式
2.3.1方案一
进气系统的最前端位于主环的下方,当赛车高速行驶时,使得进气口的撞风量大,对称的设计使得各缸的进气量均匀。
进气管方案一
2.3.2方案二
进气系统的最前端位于赛车的尾部,空间布置不受座舱影响。
进气管方案二
2.3.3进气方案三
与方案一类似,但进气系统的前端与稳压腔的侧面连接,使气流经过弯折后变得缓和,最大的缺陷是不能保证四缸的进气平衡。
进气方案三
通过查阅相关论文及收集大量资料,得知对称布置的进气管更有利于各缸的进气平衡,所以排除方案三。
对于进气系统前段前置,固定方便,它的优点体现在撞风面将产生一定的进气压力,但在40km/h以下时效果不明显。
方案二的进气歧管弯曲,降低了进气阻力,使进气更加平顺。
最后结合方案一、二的优点得到改进方案四
进气方案四
第3章各部件基本参数设计
3.1节气门口径
节气门必须为机械控制,所以选择最常见的蝴蝶阀节气门,利于拉线控制。
在2011赛季,使用的为45mm的文氏管节气门。
根据使用情况的反馈,会出现一定程度上的油门迟缓现象。
经过调查发现,其中一个原因就是节气门口径过大,使得油门反应较为迟缓。
在保证足够进气量的同时,还得保证较快的油门响应。
最终调整的节气门口径为40mm,减少了进气截面面积,使得进气速度得到提高。
3.2进气总管长度
进气总管中将有一段起到限流阀的作用。
所以总管的结构大体为文氏管(进气管截面渐缩渐扩)。
收缩的截面可迅速提高气流的速度,同时整合通过节气门后的紊乱气流。
查阅相关文献后得知,较长的总管适合低转速工况,较短的总管适合高转速工况。
老的进气总管长度为280mm,经过实践发现,结构过于修长,不利于整体的固定,刚度有所下降,长期处于振动当中容易损坏。
由于必须在外框之内,现将总管长度缩至150mm。
如果收缩的锥角过大,气流不能顺利通过,将会在收缩孔产生拥堵。
3.3稳压腔体积
稳压腔的体积本应与实际工况密切相关,在高转速和低转速下分别对应不同的体积。
但是目前我们还没能掌握这项工艺。
所以只能选取一个在常用转速表现良好的稳压腔体积。
查阅了一篇关于稳压腔体积优化的外文文献。
文中提到稳压腔体积可取2-8倍的发动机排量。
然后仿真了在不同体积下发动机的外特性曲线,并做了实验。
在2-5倍排量时发动机动力曲线上升,6-8倍时出现下降。
最后选取了3L和5L作为仿真的对比对象。
仿真结果证明3L的稳压腔要优于5L。
稳压腔体积:
Vplen---稳压腔体积
Ved---发动机排量
Vplen=Ved
5=3L
3.4进气歧管长度
进气歧管的长度对充气效率的影响相当显著。
但是发动机处于不同工况所对应的最佳歧管长度都是不同的。
最终我们选择在常用转速范围里对歧管长度进行计算。
查阅相关文献得到一个歧管长度的计算公式。
(m)
—绝热指数
≈1.4
—音速
=340m/s
—空气流速(m/s)
N—发动机转速(rad/s)
由于空气流速
,无法直接算出,所以根据去年的数据初步预设进气歧管长度150mm,然后建模仿真得到了歧管的空气流速约为200m/s。
由此数据带入公式求解得到L=0.1238m,所以最后选择了一个中间值140mm,而发动机机体上已经存在了70mm的歧管,所以最后建模只需要70mm的歧管长度。
第4章流场分析
4.1分析软件介绍
CFD商业软件FLUENT,是通用CFD软件包,用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。
灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型,使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。
GAMBIT——专用的CFD前置处理器,FLUENT系列产品皆采用FLUENT公司自行研发的Gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格,是一具有超强组合建构模型能力之前处理器,然后由Fluent进行求解。
也可以用ICEMCFD进行前处理,由TecPlot进行后处理。
4.2模型网格划分与边界条件初定义
利用前处理软件Gambit对模型进行三维网格划分,对面和体做边界定义。
体网格划分时,选择Trid(四面体网格)。
而根据气流的进出确定,入口边界为压力进口(pressureinlet),出口边界为压力出口(pressureoutlet),管壁定义为壁(wall)。
4.3进气总管分析
单独建立进气总管模型,分析限流阀处的空气流动状态,在相同边界条件下的,不同形状的模型对进气系统的影响。
主要分析了不同长度的进气总管对进气系统的影响。
参考变量为airflowrate、压强云图、速度云图。
以下为结果。
进气总管长度为150mm
进气总管长度为150mm的压强云图
限流阀中心处将会出现最低压力-4.68e+05,形成的压强差将使得空气不断流入。
进气总管长度150mm的速度云图
由于限流阀处的截面面积最小,此处的空气收敛,使得速度得到了极大的增加。
保证了进气效率,从而也增加了进气惯性,可以在进气门处形成惯性增压。
最大速度为9.70e+02m/s,出现在限流阀中心处。
进气总管长度为280mm
进气总管长度为280mm的压强云图
最低压强同样出现在限流阀处-3.65e+05。
所以形成的压差不及150mm的进气总管。
进气总管长度280mm的速度云图
限流阀处所形成的最高速度也不及150mm的进气总管。
所以对比发现150mm的进气总管性能优于280mm的进气总管。
最后可用massflowrate验证。
总管长度150mm总管长度280mm
4.4稳压腔分析
以3L和5L的稳压腔作为对比分析的对象。
同样以airflowrate、压强云图、速度云图,作为参考变量。
稳压腔体积为3L:
总管与稳压腔的截面图—速度云图1
最大速度能达到2.13e+03m/s,经过扩散嘴扩散后,稳压腔被迅速填满,此时稳压腔内的速度最低也能达到106m/s。
总管与稳压腔的截面图—压强云图1
从进气入口到稳压腔,压力由高变低,再变高。
高速流动的气体不断在稳压腔内积累,不仅保证了进气量,同时也产生了进气压力,可以提高进气效率。
稳压腔体5L:
总管与稳压腔的截面图—速度云图2
稳压腔体积过大使得空气在经过限流阀后,速度迅速降低,能量损失严重。
使得腔体内的速度整体都低于3L的稳压腔。
总管与稳压腔的截面图—压强云图2
稳压腔的压强没有回升,过大的体积使得空气在稳压腔无法形成一定的进气压力。
最后分析结果是3L的稳压腔明显好于5L的稳压腔。
可用Massflowrate验证。
稳压腔体积3L稳压腔体积5L
4.5进气歧管长度分析验证
通过公式已初步验证计算了歧管的长度,但是空气流速的值是通过仿真得到的,最后的结果同样能吻合,说明此计算不存在错误。
进气歧管截面流速云图
可以看到在歧管中的速度正好处在1.86e+02m/s到2.48e+02m/s之间,所以取200m/s为带入数据完全合理。
第5章加工装配
5.1由于整个进气系统存在加大的弯曲曲面,其他的加工方法难以加工且又保证加工精度。
所以整个进气系统将采用快速成型加工制作,该方法适合单件制作,且能保证加工精度,特别是能保证进气系统的内壁光滑。
用螺栓与发动机机体固定,同时为减弱发动机振动对进气系统的影响,在节气门处引出一根固定杆与车架相连。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- FASE 方程式赛车 系统 设计 说明书
![提示](https://static.bingdoc.com/images/bang_tan.gif)