消聲器出口CFD設計優化

摘要：采用CFD技術，分析四種排氣出口設計方案在怠速、最大扭矩點和最大轉速點等三個典型工況下的流場和溫度場，以廢氣流線和油箱及側裙板等熱敏感零件的表面溫度為評價指標，對四種排氣出口設計方案進行可行性判斷，并對消聲器出口結構進行優化設計，為產品開發提供技術支持。

關鍵詞：汽車；消聲器；優化；CFD；傳熱

中圖分類號：U464.134+.4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0034-04

CFD Design Optimization for the Silencer Exit

JIANG Guang-fu

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：The paper is used the CFD simulation analysis technology. The flow field and temperature field for the four design objects of exhaust gas exit is researched in the idle、maximal torque and maximal speed case of the Automotive engine. The exhaust gas path lines and the fuel tank and its side cover of surface temperature is used the quality assessment index. In order to estimate，if the four design objects satisfy the design requirement and optimize for the exhaust gas exit structure and give the technical support for the product development.

Key words：Automotive；silencer；optimization；CFD；heat transfer

由于發動機排出的高溫廢氣對周圍的零部件有傳熱作用，同時排出的廢氣氣流會吹地面揚起地面上的灰塵，而且排氣碳煙顆粒會在排氣出口附近區域內堆積，形成碳黑區域，而排氣出口的位置、形狀及方向等因素，都會對上述情況產生影響。

本文采用CFD技術，分析四種排氣出口設計方案在怠速、最大扭矩點和最大轉速點等三個典型工況下的流場和溫度場，以廢氣流線和油箱及側裙板等熱敏感零件的表面溫度為評價指標，對四種排氣出口設計方案進行可行性判斷，并對消聲器出口的結構進行優化設計，為產品開發提供技術支持。

1 模型化及計算工況

1.1 仿真分析模型化

分析對象為消聲器及其周圍零部件，包含消聲器、油箱和周圍護板。

四種消聲器排氣出口設計方案如下：

設計方案1：排氣出口布置在左側，排氣出口管為直管；

設計方案2：排氣出口布置在左側，排氣出口為喇叭形；

設計方案3：排氣出口布置在后面，排氣出口管與水平面夾角為45度；

設計方案4：排氣出口布置在后面，排氣出口管與水平面夾角為30度。

采用HyperMesh軟件生成零部件的表面網格，如圖1所示。四種方案采用同樣的模型化策略，表面網格單元邊長為20 mm。

采用Fluent前處理軟件Tgrid生成流場的體單元網格，鑒于分析對象表面形狀的復雜性，采用了非結構化網格生成技術［1］，全流場區域的流場體單元數約101萬，CFD仿真分析和后處理均采用Fluent V6.1軟件［2］。

1.2 計算工況

怠速：車速為0，廢氣流量為0.1 kg/s，廢氣溫度為250 ℃；

最大扭矩點：車速為25 km/h，環境溫度為25 ℃，廢氣流量為1.0208 kg/s，廢氣溫度為250 ℃；

最大轉速：車速為90 km/h，環境溫度為25 ℃，廢氣流量為1.42917 kg/s，廢氣溫度為200 ℃。

2 計算結果

評價消聲器出氣口設計優劣的四個指標為：

a）廢氣不能吹到地面上，防止揚起地面灰塵，污染環境；

b）廢氣不能吹到側裙板上，熏黑側裙板，不能直接吹向路邊行人；

c）側裙板材料為塑料制品，表面最高溫度應低于80 ℃；

d）油箱表面最高溫度應低于90 ℃，防止油箱爆炸。

從圖2、圖3、圖4分析可以看出，設計方案3和4的廢氣都吹到地面上，揚起地面灰塵，污染環境；所有設計方案的廢氣都沒有直接吹到側裙板上。因此，設計方案3和4都是不可行的。

CFD分析結果如表1所示，從表1中零件表面最高溫度可以看出：設計方案2優于設計方案1，但是，設計方案2的側裙板表面最高溫度高于80 ℃。需要對設計方案2進行優化設計。

四種設計方案油箱和側裙板的表面溫度分布相似，因此，在此僅列出設計方案2的溫度分布圖（如圖5和圖6所示）。

3 優化設計

由于在側裙板與廢氣出口交界處的表面溫度高于80 ℃，現在側裙板與廢氣出口交界處挖出一間距為20 mm的孔，避免側裙板與高溫廢氣出口直接接觸，產生高溫熱傳導。

優化設計方案分析結果如表2和圖7、圖8所示，側裙板表面最高溫度均低于80 ℃，優化設計方案可行。

4 結論

通過前面的仿真分析，得出結論如下：

（1）設計方案3和4的廢氣都吹到地面上，揚起地面灰塵，污染環境，因此，設計方案3和4都是不可行的。

（2）設計方案2優于設計方案1，但是，側裙板表面最高溫度高于80℃。

（3）優化設計方案側裙板表面最高溫度均低于80℃，優化設計方案可行。

參考文獻：

［1］ 王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］ 溫正，石良辰，任毅如.流體計算應用教程［M］.北京：清華大學出版社，2009.