某型號發動機排氣管溫度場和熱應力分析

睢利銘，王耀耀

（河南機電高等?？茖W校 汽車工程系，河南 新鄉 453000）

某型號發動機排氣管溫度場和熱應力分析

睢利銘，王耀耀

（河南機電高等?？茖W校 汽車工程系，河南 新鄉 453000）

文章利用分析軟件ANSYS對某型號發動機排氣管在高溫廢氣作用下的溫度場和熱應力進行模擬分析。首先利用ANSYS對該發動機排氣管做內外流場CFD分析，得到排氣管內外表面的對流換熱系數和流場的溫度分布，然后把CFD分析得到的結果作為邊界條件對排氣管做流固耦合分析得到了排氣管的熱應力分布。文章的分析結果對于分析裂紋產生原因和降低裂紋發生頻率有著很重要的參考價值，并為該排氣管的下一步優化改進提供了重要的理論依據。

排氣管，溫度場，熱應力，有限元分析，ANSYS

排氣管安裝于發動機排氣岐管和消聲器之間，使整個排氣系統呈撓性聯接，從而起到減振降噪、方便安裝和延長排氣消聲系統壽命的作用。排氣管在發動機工作時由于機械振動所產生的機械應力和熱應力的作用，經常會出現局部開裂的現象，從而使發動機的工作和排放性能大打折扣。所以，對排氣管進行溫度場和熱應力分析，對研究排氣管局部產生裂紋的內在原因并提出優化設計方案有著十分重要的作用。

傳統上可以根據經驗對排氣歧管的設計進行修改，然后在驗證相關設計正確與否，但周期長、成本高。而采用CAE方法對整個排氣歧管的工作狀態進行模擬，可有的放矢地對多個修改設計進行對比，選擇最佳方案、縮短設計周期，減少研發費用。文章以某發動機排氣管為研究對象，先建立有限元模型，然后采用流固耦合方法對排氣管的溫度場及熱應力進行分析計算。利用這種分析方法的優點就是不用對研究對象的溫度場進行實際測量就能得到比較準確地溫度場數據，并且利用CFD模擬得到的熱邊界條件更加接近傳熱問題的實質。此種關于熱問題的分析方法在國內仍處于逐步完善的階段。

1 排氣管熱分析的數學模型及邊界條件設定

1.1 數學模型計算

（1）排氣管溫度場的計算。排氣管的傳熱過程屬于常物性無內熱源的穩態傳熱，其控制方程為：

式中：Kx，Ky，Kz為沿，x，y，z方向的熱傳導系數。

這里采用第3類熱邊界條件即給定物體邊界上的流體溫度和表面傳熱系數來計算排氣管的溫度場，可表示為：

式中：nx，ny，nz為邊界法線的方向余弦，h為研究對象與周圍介質的對流換熱系數，tα為外界環境溫度。

（2）排氣管熱應力的計算。利用有限元法計算排氣管的熱應力，積分方程為：

式中：ρ為密度，u為位移矩陣，σ是應力張量矩陣，b是作用力。

對于每一個網格單元，動量方程為：

式中：i為網格單元，j為平面單元，sj為平面法向量。

如果只考慮單一材料的計算域和靜態問題下的慣性項，合力為0。

平面上的力為：

剛度矩陣在所有面上累計為：

1.2 邊界條件的設定

研究排氣管熱應力必須先確定排氣管的熱狀態。一般來說，發動機排出的廢氣溫度很高，并在彎道眾多的排氣管內高速通過，廢氣的流動狀態屬于紊流，所以排氣管內壁與廢氣的傳熱屬于紊流換熱，而排氣管外部與外界的傳熱屬于自熱流換熱。

（1）對流換熱系數確定。要得到精確的排氣管內、外部的對流換熱系數，必須配合相關實驗，這里只利用對流換熱理論對其作近似估算。

①管內流動的雷諾數。根據生產廠家提供的資料，正常工作時排氣管內的平均壓力P=1.7×105Pa，平均溫度T=93.5℃+273=1208K，空氣流量Q=145g/s，由此通過計算可得到燃料的消耗率為10g/s，進一步可以算出管內氣體流速：

v=80.6m/s

最終可得到排氣管內流動的雷諾數：

Re=1.74×104

②管內對流換熱系數。通過查閱相關文獻，利用Gnilinski公式計算管內對流換熱系數，可以得到：

hi=3×104W/(m2·K)

③管外部對流換熱系數。管外部的熱傳遞屬于自然對流換熱，這里采用文獻推薦的換熱系數：

h0=70W/(m2·K)（2）介質溫度。

①管內氣體溫度。從發動機燃燒室排除的廢氣從排氣管入口到最終進去大氣中的過程中，其溫度是逐漸低的，但換熱系數可認為是沿管長方向的定值。廢氣在管壁較薄導熱性能好的排氣管內沿管長方向溫度降低幅度大約為50～60° C/m。文章所研究的排氣管管壁較厚，故廢氣沿管長方向的溫降幅度應低于上值。另外，由于該排氣管長度較短，所以排氣管內氣體溫度取平均值，即：

tft=930℃

②管外氣體溫度。由于排氣管緊靠發動機機體安裝，受機體熱輻射影響，故取環境溫度：

Ctf0=30℃

2 排氣管內、外流場有限元分析

2.1 排氣管內流場有限元分析

（1）建立排氣管內流場的分析模型。先用三維造型軟件Soildworks建立排氣管的實體模型，然后再對其進行網格劃分，并在內壁近壁面處添加了附面層網格，最后得到排氣管內流場的網格模型如圖1和圖2所示，

根據牛頓法得到：

圖1 內流場流體的計算網格

圖2 內流場流體的計算網格剖面

（2）流體的物理屬性。排氣管內流體的物理屬性如表1所示。

表1 25℃的空氣的物理屬性

（3）設定邊界條件如圖所示。分析的工況為發動機額定工況：①在排氣管進口設定氣體流量和溫度；②出口設定靜壓；排氣管內壁為壁面邊界條件，其中熱傳遞類型選擇第二類邊界條件。對于壁面邊界條件，選擇第二類溫度邊界條件。

圖3 排氣歧管內流場邊界條件

（4）分析結果。通過模擬分析，得到了排氣管內流場壁面的平均溫度分布和平均對流換熱系數分布，分別如圖4和圖5所示。

圖4 排氣歧管內壁面平均溫度分布圖

圖5 排氣管內壁平均對流換熱系數分布圖

2.2 排氣管外流場有限元分析

（1）建立排氣管外流場的分析模型。排氣管外流場的網格劃分采用非結構化四面體單元，并在排氣管外壁和發動機接觸的表面添加了附面層網格。外流場與排氣管外壁接觸的表面是分析計算的重點，建立模型時對其進行了網格細化，其他部分則采用了相對較粗的網格劃分，這樣既能保證計算精度又可以縮短計算時間和節省資源，最后得到的排氣管外流場的網格模型如圖6所示。

圖6 排氣管外流場計算網格

（2）設定邊界條件。排氣管外流場的分析為穩態模式，設定邊界條件：①入口為風機出口，給定入口流量和溫度。②出口設定靜壓，與排氣管接觸的外表面給定壁面邊界條件。③在模型的四周設定對稱邊界條件。最終得到的排氣管外流場的邊界條件如圖7所示。

圖7 排氣管外流場邊界條件

（3）分析結果。通過計算分析，得到了排氣管外壁面的平均對流換熱系數分布和平均溫度分布，分別如圖8和圖9所示。

圖8 排氣管外壁面平均對流換熱系數

圖9 排氣管外壁面平均溫度

3 排氣管溫度場和熱應力的有限元分析

3.1 排氣管溫度場的有限元分析

（1）建立排氣管溫度場分析模型。利用四面體單元建立如圖10所示的排氣管溫度場分析模型，共包含91151個單元，145810個節點。

圖10 排氣管有限元計算網格

（2）設定邊界條件。分析工況為發動機的額定工況，將前面CFX分析得到的排氣管內外壁面的平均溫度分布作為溫度載荷施加在排氣管內外壁面上。

（3）計算結果及分析。經過計算分析，得到排氣管的溫度分布如圖11所示，從圖中可以看出排氣管四個支管的溫度場分布幾乎是相同的，且高溫區域主要集中在加強筋附近和排氣管入口處。

圖11 排氣管溫度場分布

3.2 排氣管熱應力的有限元分析

排氣管熱應力分析屬于流固耦合分析問題，所用的網格模型和前面溫度場分析時用的網格模型一樣，在模型上添加以下邊界條件：①將排氣管與氣缸蓋連接法蘭面設為固定約束；②連接增壓器的三個螺釘的預緊力分別設為2000 N；③將排氣管穩態溫度場的分析結果作為溫度邊界條件施加在排氣管結構上。

經過計算分析，最終得到排氣管在額定工況下的熱應力分布結果如圖12所示，1其中圖（a）是排氣管氣流導向筋處的應力分布圖，圖（b）是排氣管背面應力分布圖。從圖中可以看出，氣流導向筋下端的應力（淡青色區域）過大，最高值達到381MPa，這也解釋了為什么這個區域是排氣管裂紋的多發區。

圖12 排氣管應力分布圖

4 結語

文章的主要研究內容為發動機排氣管的溫度場和熱應力分析，為分析排氣管裂紋出現原因和改進設計提供了重要依據。通過文章的分析，可以得出以下結論：

（1）先建立排氣管的有限元模型，通過額定工況下排氣管的氣體流動熱交換情況來確定邊界條件，利用大型分析軟件ANSYS對其進行溫度場分析，得到了排氣管的溫度場分析結果。

（2）通過對氣流導向筋周圍的應力場進行比較，查出氣流導向筋下端的應力較大，這是導致裂紋的源發區，為排氣管的改進設計提供了理論根據。

（3）該技術為工程類似問題提供了思路，可以有助于其他類似工程技術的解決。

[1]高娟莉.發動機排氣歧管的疲勞性能研究[D].西安：西安理工大學，2009.

[2]傅秋陽.某發動機排氣歧管流固耦合分析的應用[J].合肥工業大學學報:自然科學版,2009，（S1）:175～177.

[3]董非,蔡憶昔,范秦寅等.內燃機排氣歧管瞬態熱流體-熱應力耦合仿真的研究[J]，汽車工程,2010,32（10）:854～859.

[4]李迎.內燃機流固耦合傳熱問題數值仿真與應用研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[5]孫立旺,朱清山等.基于直接流固耦合的發動機排氣歧管熱應力分析[J].河南農業大學學報,2012,46（1）:81～84.

[6]劉寶興.工程熱力學[M].北京:機械工業出版社,2006.

[7]楊曉，郭濤.CFD-FEA耦合計算分析發動機排氣歧管熱負荷[J].制造與裝備技術，2010，（10）：42～43.

An Analysis of Temperature Field and Thermal Stress ofExhaust Pipe of Some Type of Engine

HUI Li-ming,WANG Yao-yao
(Department of Automotive Engineering,Henan Mechanical and Electrical College，Xinxiang,Henan 453000，China)

In this paper,the temperature field and the thermal stress the exhaust pipe of some type of impacted by high temperature exhaust gas was analyzed simulatedly with the analysis software ANSYS.Firstly,CFD analysis was made on internal and external flow field of the exhaust pipe with ANSYS and the heat exchange coefficient and temperature distribution on the internal and external surface of the exhaust pipe was figured out.Take the results of the CFD as the boundary condition,the distribution of thermal stress on the exhaust pipe was drawed based on fluid-structure interaction analysis forthe exhaust pipe.The result can be reference for finding the causes resulting in the fracture and lowering the occurrence of fracture,and provide strong theoretical basis for the optimization design of the exhaust pipe.

exhaust pipe,temperature field,thermal stress,finite element analysis,ANSYS

U464

A

2095-980X（2015）02-0026-04

2015-01-16

睢利銘（1988-），女，河南安陽人，助教，碩士研究生，主要研究方向：發動機排放控制與電控技術、汽車及發動機CAD/CAE。