汽车进气岐管-CAESES仿真优化经验分享

进气岐管是汽车进气管之后到气缸盖进气道之间的进气管路，对于气道燃油喷射式发动机或者柴油机来说，它的功能是将洁净的空气持续分配给各缸进气道。在脉冲式吸气过程中，为了各个气缸燃烧状况相同，要求每个气缸的进气状况尽可能保持一致（图1所示）。

图1  进气岐管-来自网络

因此，在进气岐管设计时除了减少流动损失之外，还要求各缸进气口流速和压力均匀。在仿真设计过程中，因进气岐管造型复杂，通过单一参数的调节往往无法得到理想方案，且耗时耗力。本文采用CAESES软件对进气岐管进行全参数化建模，链接商业仿真软件（如Star-CCM+）对多个关键参数进行同时优化，通过自动化仿真计算快速高效地得到了优化方案。

本次分享的输入条件为进气歧管，对已有参考模型进行参数优化建模仿真。整个仿真优化过程依托于CAESES仿真优化软件进行，主要分为CAESES参数化建模、CFD仿真及脚本录制、软件链接仿真优化三个部分。希望本人的优化尝试能让大家对CAESES这款软件更为了解，同时也能为进气岐管或是类似模型的仿真优化提供思路。

一、CAESES参数化建模

本方案的进气歧管连接有4个气缸，进气管与4个出气口之间通过一个腔室进行串联，同时实现气流分配。整个CAESES参数化建模过程主要为8个步骤（如图2所示），参考已有模型尺寸及位置，分别创建入口段、中间腔体和4个出口段；接着创建入口和出口分别与中间腔体之间的连接段；然后对中间腔体和其他连接曲面进行分割及闭合处理，并得到完整进气岐管模型。

图2 进气歧管参数化建模过程

模型变形，除了全参数化建模，还可以针对已有模型通过“Free Form Deformation”自由变形、直接参数控制、间接关联控制等多种方法对现有模型进行外形变化（如图3所示），通过对关键位置的变形控制获取不同方案的CFD结果，从而达到优化的目的。

                （a）Free Form Deformation                                （b）直接参数控制                                         （c）间接关联控制

图3 参数变化演示

二、软件链接仿真优化

网格生成及CFD计算采用现在较为流行的商业仿真软件Star-CCM+，参数化建模生成 “stl”数模，��真计算流程生成“java”脚本文件，整个仿真优化流程如图4所示。使用CAESES强大的外部软件链接及优化功能，即可将两个仿真软件进行串联，实现方案的自动仿真优化（链接文件如图5所示）。

图4 仿真优化流程

图5 建模-仿真软件链接

CAESES包含了单目标、多目标、遗传算法等多种优化算法。本方案在保证速度均匀性的条件下，降低压损为目标参数进行优化。选择对模型以及气流均匀性影响较大的10个参数变量，先用sobol算法进行设计参数的敏感度分析，然后在sobol结果（20个）基础上选择优化算法（如T-search算法）进行进一步优化。通过1天的CFD仿真计算，在80个自动优化方案中得到了最终方案（如图6所示）。

图6 T-search仿真数据

图7为原始方案与优化方案的仿真流场对比结果，通过参数改进，入口与中间腔体连接区域的流动更为均匀，最终对4个出气口的均匀性有所提高前提下，压损降低了3%。

整个进气岐管方案的仿真优化时间共为3天（包括参数化建模），可见CAESES软件对于复杂变形模型的优化也具有较大优势，通过参数关联以及敏感性分析，可快速高效地实现仿真优化目的。

图7 流场对比图（速度）