第一章前言
进气道的设计对发动机的影响是非常重要的，在进气道的设计中，人们总结出两个定量描述进气道特性的参数，一个是流量系数，一个是涡流/滚流比。其中流量系数直接决定着气缸的充气量，而涡流/滚流比对缸内混合气的形成，发展，燃烧扩散的速度和稳定性。但是提高流量系数时涡流/滚流比会降低，反之亦然，所以常常需要在这两者之间取得一个折衷。在FIRE里，我们可以在算出三维流场的基础上通过公式很方便地计算出这两个量。 柴油机和汽油机的进气道的设计有很大的差别，柴油机采用的是螺旋进气道，通过在缸内形成强烈的涡流促进燃油和空气充分混合，实现快速稳定的燃烧；而汽油机主要是通过在缸内形成滚流来组织快速燃烧或混合气分层稀燃，所以采用的是直气道和切向气道。
对于柴油机的螺旋进气道来说，我们主要关心的是气道流量系数和涡流比的计算，改进设计的目标是提高流量系数，会牺牲部分涡流强度，或优化的目标是达到一个目标涡流比的情况下取得最大的流量系数。气道的CFD分析建立的计算域几何模型与气道稳流试验台的布置应是一致的。计算流量系数和涡流比的方法也应该是一样的，这样才可以直接对比。图1所示的是一个典型柴油机双进气道的计算模型，气道前端的空腔模拟的是气道试验台的稳压箱，气缸长度一般取2.5倍的缸径，与实验台的设置基本相同。
这样加长气缸有两个考虑：一是基本可以保证出口没有回流，这对数值计算的收敛很重要（因为出口设静压边界条件要求不能有回流）；二是测涡流强度的叶轮（A VL测试方法）是布置在距缸盖1.75倍缸径的位置，该位置不能过于靠近出口，以免受到出口流动情况的影响。
流量系数的定义为实际流量与理论流量的比值，在FIRE 里可在求解器界面的Write 2D result file里选择相应的公式来计算，这里实际流量是取的出口处的流量，这就是为什么要选择outlet这个selection。理论流量的计算主要是依据进出口压差和气门座内直径，计算公式可以在下文中查到。这样计算出的流量系数与标准的气道试验台的处理结果是可以直接对比的，或者说常见的气道实验台测流量系数的方法是相同的，但测涡流的方法就不尽相同了。比如说A VL的试验台是在距缸盖1.75倍缸径的位置用叶轮来测涡流转速，而Ricardo的则是通过测扭矩来推算涡流转速。不管是哪种测涡流的方法，FIRE里都有相应公式对计算出的三维流场信息进行处理，与之相对比。FIRE提供的一个气道的算例就是按照A VL试验台测涡流的方式，在计算模型里对应的位置根据叶轮的内径和外径定义一个Cell Section，然后选择程序自带的计算涡流比的公式来算出与实验对应的涡流比的。有关公式在很多文献上都可以查到，这里就不敷述。
图1 柴油机进气道-计算域
对于汽油机来说，进气道采用的是直气道或切向气道，图2所示的是一个典型汽油机进气道的计算模型。在汽油机进气道的计算中，人们主要关心的参数就是流量系数和滚流强度。涡流旋转的中心轴为气缸中心轴，而这里提到的滚流的旋转轴取决于切向气道的方向，在稳态研究时一般是在距缸盖0.5倍缸径的面上垂直于气缸轴线和气道切面的线即为滚流的旋转轴线如图3，图4所示。滚流强度主要是依据在这个平面上速度的切向分量（与气缸中心轴平行的速度分量）计算出的。在FIRE计算时，可以通过在体网格的z=-0.5D（计算模型的原点在缸头面，并且气缸中心线为z轴）这个位置生成一个Face Selection，然后选用2D Results里的Tumble_ratio_face这个公式即可算出。由于滚流的特性，在实际发动机运行时其中心轴的位置还与活塞的运动有很大关系，这一点也是与涡流不同的，所以有些人认为在稳态条件下研究滚流意义不大。那么在发动机瞬态循环计算中FIRE也可以通过激活User function里的“User input/output”，并采用一个名为”user_control”的文件就可以计算出每一个曲柄转角下缸内的滚流（中心轴定
义在活塞距上至点一半的面上）。瞬态涡流也是这样计算的。
螺柱焊
图2 汽油机进气道-计算域
图3气道滚流测试方法示意图图4气道滚流的计算方法示意
气门座圈
将FIRE的计算结果和实验值进行对比要注意几个问题：一是气道模型要完全一致或尽可能一致，实际上常常存在实验台上的气道与三维CAD模型有偏差，特别是稳压箱与气道进口处连接过渡的圆角处理得不同，这对计算结果也会有一定影响。二是进出口压力值要完全一致。我们曾做过FIRE计算参数的设置对结果的影响的研究，有这样一些结果可供用户参考：动量方程和湍流方程的差分格式对流量系
数的结果没有太大影响（当然连续方程的差分格式必须选二阶精度的中心差分，这与其他计算的要求是相同的），但要得到比较准确的涡流/滚流比，建议动量方程和湍流方程的差分格式都采用二阶精度的（Minmod或CD 0.5）；湍流模型和壁处理可采用较高精度的k-z-f模型和Hybrid Wall Treatment；边界层网格层数越多，得到的流量系数越精确；总的网格数目在70万左右是比较合适的。另外，气道试验台看起来很简单，但不同的试验台测试精度有很大不同，当然价格也相差很多。我们常说的流量系数的计算误差可以达到 2.5%以内也是有条件的，包括气道试验台的测试精度也要达到一定的高度。
将计算结果和实验值取得一致固然重要，但这只是第一步，利用数值计算研究气道的主要目的是利用计算的快速低成本取代传统的通过大量的气道实验寻
求最优气道设计的方法。在对原型气道计算结果的研究分析基础上提出改进意见，是很多用户正在做的工作，如果提得出明确的优化目标并具备相应的手段，利用FIRE与CAD和优化软件联合计算即可直接得到最优的气道设计的CAD模型，这种优化计算当然也需要大量的计算机时，但国外有些公司已能做到只利用CFD分析和优化即完成气道的优化设计，实验工作只是对优化后的气道模型进行实验验证而已，节省了大量的人力和财力。
第二章试验方法的建立
2.1 流量系数
为了对进气管稳态流动进行分析，A VL搭建了典型的气道稳流试验台来测量流体流量。从这种试验台架上A VL 可以得到测量数据，用来和计算结果的实验数据进行对比。这一节里向大家介绍测量流体流量的方法。
测量的方法是：在进气管压力降固定的情况下，在10个不同的气门升程下测量稳态气体气流的质量流速。
图5典型的AVL气道稳流试验台布置图
推荐的气缸的长度应为2.5D，这是因为测涡流强度的叶轮（A VL测量方法）是布置在距缸盖1.75D的位置（D是气缸直径），而该位置不能过于靠近出口，以免受到出口流动情况的影响。A VL可以用实验的方法测量出距缸盖1.75D位置处的流动情况。
通常，充量流过一个横截面时的流动情况是通过流量系数μ进行描述的。
A VL基于测量结果，计算得到是一个无因次流量系数μσ，它是实际质量流量与理论的质量流量的比值。理论的质量流量是在假设没有流动损失的情况下，用气门座圈面积上的流速和压力降算出来的。
计算理论的质量流量m theo使用的横截面积是Av，半径是气门座圈的内径。
在气门和气门座圈之间的有效的流通面积A
σ是一个阻碍系数，它取决于几何位置和气门升程。理论的质量流量定义为：
.....实际的质量流量[kg/s]
..... 理论的质量流量[kg/s]
Av .....气门座圈的面积[m2]
偷拍设备
滑步机dv .....气门座圈的内径[m]
ρm .....平均密度[kg/m3]
ρ.....气缸内的密度[kg/m3]
.....环境密度[kg/m3]
.....环境压力[Pa]
Δp.....压力降[Pa]
气门升程很小时，A VL标准的压力差是6500[Pa]，气门升程很大时，A VL标准的压力差是2500[Pa]。
2.2 叶轮
牛头刨
在某些特定的气门升程下，气缸内充量的旋转速度是由叶轮风力计测得的。为了计算叶轮的速度，使用以下的公式：
图6 AVL叶轮的尺寸
麦弗逊式独立悬架涡流比是由充量的旋转速度比上假想的发动机转速得到的。叶轮的涡
流比的计算公式如下：
n padd .....叶轮的旋转速度[min-1]
n mot ....假想的发动机的转速[min-1]
n D .....风力计一般的速度[min-1]
n .....发动机一般的速度[min-1]
进（排）气道的测试是一个稳态的实验，发动机的转速不能直接得到。活塞的平均速度和发动机转速定义如下：
假设活塞的平均速度等于稳态流动的轴向平均速度，我们就可以得到假想的发动机的转速
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