发动机排气歧管热流固耦合分析.pdf

:./.发动机排气歧管热流固耦合分析镇 梁王晓雷潘家保(.南京航空航天大学 直升机传动技术重点实验室江苏 南京 .安徽工程大学 机械工程学院安徽 芜湖)摘 要:发动机在正常工作时所产生的高温废气直接与排气歧管内壁管道接触因而会对排气歧管造成较大的热变形严重时甚至导致破坏 该文重点对某四缸发动机排气歧管受热情况进行了分析通过采用有限元法设定了边界条件和外部环境参数模拟了排气歧管的正常工作情况 为了探究影响排气歧管温度变化的因素改变内部流体温度和速度以及对流换热系数的数值观察排气歧管温度变化的情况并对可能影响排气歧管受热的因素进行了分析与比较关键词:排气歧管流固耦合有限元分析温度变化中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言排气歧管作为发动机的主要部件是发动机和排气管的连接桥梁在工作过程中首先会受到高温废气的冲击发动机的工况在实际工作情况下是不断变化的这就导致排气歧管在工作时承受的压力冲击与内部气体温度在不断变化 而内部气体高温所造成的热胀冷缩极其容易使排气歧管产生裂纹长此以往会导致歧管产生疲劳断裂失效 国内相关学者在这方面做了大量的研究如黄泽好等发现改变排气歧管的结构可以缓解热应力集中 陈馨等发现若排气歧管的结构或材料不合理 很容易产生裂纹和变形 进而导致漏气 发生漏气一方面可能引燃汽车 威胁车内人员安全 另一方面也严重影响发动机的经济性和动力性 陈曦等通过观察排气歧管机油泄漏的程度以及排查缸盖排气口机油泄漏的来源以此指导相关零件的设计改进笔者采用有限元分析法对发动机排气歧管进行热流固的耦合分析通过改变外部环境条件得到不同情况下排气歧管的温度变化然后根据结果分析图对影响排气歧管温度变化的因素进行分析 控制方程和湍流模型正常工作条件下高温废气未接触排气歧管内壁之前会形成一个一个层流边界层 在这段时间内流体流动预测可通过稳态 方程求解而得到 随着气体靠近壁面气体开始出现振动 同时随着雷诺数的增加流体流动不平稳 在靠近壁面处出现小涡流这个时候层流就转变成湍流 在此流型中选择使用雷诺平均 方程()进行数值模拟公式如下连续方程:()()动量方程:机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究收稿日期:基金项目:安徽省重点研究与开发计划项目:车辆磁流变半主动悬架系统可靠服役关键技术研发与应用(编号:)作者简介:镇 梁()男江苏南通人硕士研究生研究方向:机械工程()()()()式中:表示雷诺平均速度分量 为密度 为压强为脉动速度是应力张量分量 双方程模型适用于对流减压区及近壁面和远壁面的计算 该模型通过额外的湍流粘性项增加了 方程并在近壁处采用 模型 湍流模型主要求解湍动能和比耗散率 的对流运输方程对于 双方程模型其湍动能运输方程为:()()()湍流比耗散率方程为:()()()()(/)/()(/)()式中:/是涡粘性是平均速度应变率的张量为克罗内克算子、为模型参数取.排气歧管热流固耦合分析.热流固耦合分析理论流固耦合分析法是指在流体与固态物质相互作用时同时考虑热交换 这种分析法适用于机械和热载荷共同产生的情况 在对固体域与流体域的交界表面进行耦合式数据的传输时固体域可以利用气态流体域传输过来的气态温度与热传导系数作为排气歧管的边界条件同时从流体域和气体流体域传来的壁面温度可以作为边界条件.三维模型建立与网格划分通过建模软件建立排气歧管三维模型如图 所示 为保证排气歧管网格划分的质量问题将排气歧管法兰盘部件省略得到排气歧管简化模型如图 所示图 排气歧管三维 图 排气歧管三维模型模型简图图 排气歧管网格划分 分析模型并对排气歧管进行网格划分如图 所示网格类型设置为六面体网格不需要添加局部尺寸按照最大尺寸.最小尺寸.增长率为.尺寸函数 曲率法向角 等条件生成表面网格.流体域仿真在 中进行流场计算假设排气歧管中的高温废气与烟气相同烟气的基本性质如表 所列烟气作为排气歧管流场的材料性质壁面为无滑移速度条件出口采用压力出口边界 采用流体网格模型得到了排气歧管内流场的温度分布表 烟气属性参 数数 值密度/().比热/()热导率/().黏度/().固体域仿真为了模拟固体区域的温度需要将内部流场的温度分布映射到排气歧管的内表面并以此得到的内表面温度作为确定固体区域的热边界条件 将 计算的内部流场模拟结果导入流液耦合面之间进行数据传输得到了排气歧管固体内壁表面的温度分布 外部环境温度设定为 对流换热系数为 排气歧管的固体材料为灰铸铁其材料性能如表 所列表 材料属性参 数数值参 数数值密度/()热膨胀系数/.热导率/().杨氏模量/.泊松比.流固耦合仿真结果分析设定流体域和固体域的边界条件定义监控器变量包括入口出口以及入口和出口的比率关系可以获得在一定时间下的仿真结果 并将模拟标准初始化控制仿真参数迭代速度与报告时间可得到如图 所示的残差图从残差图中可以看出各条曲线趋于平缓其仿真结果正常有效 图 为迹线图通过观察高温废气的车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用轨迹线图我们可以发现在排气歧管入口处所排放高温废气温度最高沿排气管壁温度逐渐降低温度最低点出现在排气歧管内废气汇入总管处 当高温废气在排气歧管总管处汇合时管壁温度又随之上升图 残差图分析 图 为仿真轨迹图 可以看出在四根排气歧管支管内废气的矢量分散有序而当四根排气歧管废气汇入总管内时废气的矢量密集同时显得杂乱无章这就表明废气汇入总管时对排气歧管的内壁产生较大的压力冲击从而造成排气歧管的损坏图 迹线图 图 轨迹矢量图 对影响排气歧管温度变化因素的研究.固体域温度场变化的影响因素排气歧管在不同的工作条件下其温度场会发生变化 其主要的影响条件可能包括两方面 首先在不同内流温度和内流速度下排气歧管整体温度可能会发生变化 其次外界工作环境的变化也可能会导致对流换热系数发生变化从而导致排气歧管温度场发生变化 文中主要从这两个可能影响发动机排气歧管的因素进行研究.排气歧管在入口条件下温度场的变化为探究排气歧管在不同内流速度和内流温度下的排气歧管温度变化的情况现选取四组条件进行研究 表 为四组不同的入口条件表 入口边界条件组别内流速度/()内流温度/图 为不同进气边界条件下排气歧管固体区域的温度分布表 为不同入口速度和温度下温度场和温差的分布范围 结果表明内部流体的速度对排气歧管的温度分布影响效果不明显 排气歧管的温度随着废气温度的增加而不断上升控制气体流速在 的范围内增加排气歧管总体温差虽有略微上升但是总体温差控制在 之间由此可见废气流速对于排气歧管温度的影响不大图 排气歧管温度场分布表 不同入口速度、温度下的仿真结果组别入口速度/()入口温度/最高温度/最低温度/温差/.不同换热系数对排气歧管温度场的影响研究对流换热是指流体流经固体表面时流体和固体进行热量传递的现象 它的大小表示热量传递的强弱情况 在不同的传热系数下排气歧管的温度会发生变化 在正常条件下气体强制对流换热系数在 /()范围内当车辆以正常的高速行驶时排气歧管表面的热交换就不再是自然对流换热了 外部空气快速流过排气歧管表面并带走热量这实际上是一种强制对流现象 为了研究对流换热对排气歧管散热情况的影响该文研究了不同传热系数对排气歧管壁温分布的影响以及这种情况下的散热分布 在研究中选取外壁传热系数 分别为、/()对排气歧管的散热情况进行探究并计算排气歧管温机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究度场的分布 选取排气歧管的入口速度为 、入口温度为 为初始条件排气歧管在不同换热系数下的温度场的分布情况如图 所示图 不同换热系数时排气歧管外壁面温度分布 比较四组不同对流换热系数的温度分布结果发现换热系数对排气歧管整体温度场影响较大 排气歧管最大和最小节点温度的变化曲线如图 所示图 排气歧管在不同换热系数下温度场变化 从图 可以看出在这四种情况下排气歧管最低温度点出现在排气歧管外壁面的交叉处最高温度点出现在排气歧管内壁处 节点温度与外壁传热系数呈负相关最低温度随着换热系数的增大而减小 排气歧管最低温度从 下降到 因此考虑散热方式对降低排气歧管的温度具有重要意义 为了降低排气歧管的整体温度分布和温度值必须考虑采取强制对流散热方式设计安装合理的散热装置使外壁传热更加高效 结 论文中采用有限元法对某四缸发动机排气歧管受热情况进行热流固的耦合分析 通过改变影响排气歧管的因素得出以下结论()排气歧管在正常工作时入口和出口处温度最高在支管汇入总管的交叉处温度最低 同时排气歧管在正常工作时总管会受到废气的严重冲击()废气的流速对排气歧管管壁温度的影响不大相反外部环境条件对排气歧管外壁温度至关重要 通过改变散热方式可以增大对流换热系数降低排气歧管整体的温度从而有效保护排气歧管延长其使用寿命 此次研究结果为发动机的经济性和动力性研究提供相关参考参考文献:吕清波张生洋.发动机排气歧管加工工艺研究.内燃机与配件():.金 明赵昌鹏方劲松等.某轻型柴油机排气歧管优化设计/上海:中国汽车工程学会年会论文集().():.王 乐.缸盖集成排气歧管的低周疲劳分析方法研究.内燃机():.黄泽好黄荆荣唐先龙.排气歧管流固耦合热仿真分析.西南师范大学学报(自然科学版)():.陈 馨.排气歧管热机械强度分析.时代汽车():.陈 曦唐巨惠杨 俊等.柴油发动机排气歧管淌油试验方法研究与应用.内燃机与配件():.李子旺.发动机集成排气歧管气缸盖设计及流固耦合传热分析.沈阳:沈阳理工大学.李修昌.基于流体 方程的烟雾仿真技术研究.长春:长春理工大学.:.():.焦守华王金雨曾未等.基于雷诺时均模型的高温空气流动传热数值研究.核科学与工程():.董 非蔡忆昔范秦寅等.内燃机排气歧管瞬态热流体热应力耦合仿真的研究.汽车工程():.柳博瀚陈正寿鲍健等.管道内流对海洋弹性管振动影响的数值仿真研究.振动与冲击():.姜新波郭晨昊于丹丹.单板干燥机喷箱外流场仿真及换热特性研究.森林工程():.车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用