某柴油機(jī)排氣歧管流固耦合CAE分析

趙真真，張超，周波，路明

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某柴油機(jī)排氣歧管流固耦合CAE分析

趙真真，張超，周波，路明

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了預(yù)測(cè)柴油機(jī)排氣歧管的熱負(fù)荷，避免排氣歧管疲勞斷裂，采用流固耦合方法進(jìn)行分析。首先用一維BOOST軟件計(jì)算排氣歧管進(jìn)出口的瞬態(tài)流量、壓力及溫度作為內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算的邊界條件；然后采用FIRE軟件計(jì)算排氣歧管的內(nèi)外流場(chǎng)，得到內(nèi)外壁面的熱邊界條件；再以此為邊界，使用有限元軟件對(duì)排氣歧管進(jìn)行溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及高周疲勞進(jìn)行分析，最終得到安全系數(shù)為1.45，可進(jìn)行工程開(kāi)發(fā)。

耦合；流場(chǎng)；熱應(yīng)力

前言

排氣歧管是發(fā)動(dòng)機(jī)主要的受熱零部件，其與高溫廢氣直接接觸、工作環(huán)境惡劣，特別是由于高溫和溫度分布不均勻而產(chǎn)生的熱應(yīng)力的反復(fù)作用，往往形成熱疲勞裂紋，造成其破壞[1]。并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高，排氣歧管承受的熱負(fù)荷也隨之加大。在發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)中，排氣歧管常見(jiàn)失效模式有疲勞斷裂及密封失效。為避免排氣歧管疲勞斷裂，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行研究，對(duì)排氣歧管進(jìn)行流固耦合分析已經(jīng)成為避免排氣歧管斷裂故障的重要手段之一[2-3]。

本文以某柴油機(jī)排氣歧管為研究對(duì)象，采用流固耦合方法來(lái)計(jì)算排氣歧管的溫度分布、熱應(yīng)力分布及高周疲勞安全系數(shù)。并對(duì)溫度、應(yīng)力、安全系數(shù)三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，判斷排氣歧管是否會(huì)發(fā)生斷裂故障。

1 計(jì)算過(guò)程

排氣歧管的熱負(fù)荷仿真分析流程如下：首先，使用BOOST軟件進(jìn)行一維性能分析，得到排氣歧管各進(jìn)出口的瞬態(tài)質(zhì)量流量、壓力及溫度。其次，使用三維CFD軟件FIRE計(jì)算排氣歧管的瞬態(tài)內(nèi)流場(chǎng)，計(jì)算出內(nèi)壁面瞬態(tài)對(duì)流換熱系數(shù)和環(huán)境溫度[4]，用時(shí)域平均的方法得到排氣歧管內(nèi)壁面的穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱系數(shù)和溫度；用FIRE軟件計(jì)算排氣歧管的穩(wěn)態(tài)外流場(chǎng)，得到穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱系數(shù)和溫度。最后，使用有限元軟件計(jì)算得到排氣歧管的溫度分布、熱應(yīng)力分布，并對(duì)排氣歧管進(jìn)行疲勞分析。

1.1 一維BOOST計(jì)算

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的實(shí)際幾何尺寸和特性參數(shù)搭建BOOST計(jì)算模型，如圖1所示。

經(jīng)過(guò)一維BOOST計(jì)算，得到額定工況下排氣歧管各支管入口和排氣總管出口處的瞬態(tài)壓力、溫度及質(zhì)量流量。其中，BC_01~BC_04分別代表各排氣歧管的入口處，BC_ OUTLET代表排氣總管的出口處。通過(guò)BOOST計(jì)算的一個(gè)穩(wěn)定工作循環(huán)的瞬態(tài)結(jié)果（如圖2）作為排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)瞬態(tài)計(jì)算的邊界條件。

圖2 進(jìn)出口邊界條件

1.2 排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)CFD計(jì)算

排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)模型采用FIRE M軟件劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為2mm。為了有利于計(jì)算收斂，進(jìn)出口邊界均沿法線方向延長(zhǎng)了20層（每層高度為2mm）。最終的網(wǎng)格單元數(shù)約為17萬(wàn)。

圖3 內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格模型

排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算的邊界條件為圖2中BOOST提供的一個(gè)工作循環(huán)的瞬態(tài)邊界，曲軸轉(zhuǎn)角為0°~720°。

采用迎風(fēng)離散格式，一階隱式格式離散時(shí)間項(xiàng)，壓力與速度耦合算法選擇SIMPLE。設(shè)定管內(nèi)空氣流動(dòng)為可壓縮粘性流動(dòng)，空氣為理想氣體，湍流模型為--方程。使用混合壁面描述壁面附近邊界層流體速度、壓力等的分布，且要求貼近壁面的網(wǎng)格的y+值在11~200之間。殘差小于0.0001。

計(jì)算完成后，在FIRE軟件中，利用自帶程序自動(dòng)將CFD計(jì)算得到的近壁面的溫度和換熱系數(shù)作時(shí)間平均并映射到有限元面網(wǎng)格，得到溫度和換熱系數(shù)平均值作為有限元計(jì)算的邊界，圖4所示。

圖4 排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)CFD計(jì)算邊界

1.3 排氣歧管外流場(chǎng)CFD計(jì)算

排氣歧管外流場(chǎng)計(jì)算為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，模擬試驗(yàn)臺(tái)架上的風(fēng)扇冷卻過(guò)程。參考風(fēng)扇的鼓風(fēng)速度，設(shè)定外流場(chǎng)入口速度為8m/s。

圖5 外流場(chǎng)數(shù)模

圖6 外流場(chǎng)網(wǎng)格模型

外流場(chǎng)的數(shù)模包括排氣歧管、增壓器和隔熱罩。隔熱罩厚度僅為3mm，因此網(wǎng)格需要進(jìn)行局部加密。由于模型較復(fù)雜，且尺寸相差較大，采用FIRE M進(jìn)行網(wǎng)格劃分較為方便。

圖7 排氣歧管外流場(chǎng)CFD計(jì)算邊界

使用FIRE軟件進(jìn)行排氣歧管外壁面流場(chǎng)分析，將CFD計(jì)算得到的排氣歧管外壁面溫度場(chǎng)和換熱系數(shù)映射到有限元面網(wǎng)格，得到溫度和換熱系數(shù)平均值作為有限元計(jì)算的邊界，圖7所示。

1.4 排氣歧管溫度場(chǎng)分析

分析模型包括排氣歧管、模擬缸蓋、增壓器、彎管以及增壓器支架。使用Hypermesh對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。排氣歧管內(nèi)壁面和外壁面的溫度及換熱系數(shù)邊界由CFD計(jì)算得到，內(nèi)外壁面邊界如圖4、圖7所示。

圖8為排氣歧管內(nèi)外壁面的溫度分布，從圖中可以看出第2缸和第3缸對(duì)應(yīng)排氣歧管的內(nèi)外壁面部分的溫度較高，這是因?yàn)闇囟确植紴闀r(shí)域平均值，1缸和4缸排氣時(shí)高溫氣體流經(jīng)2缸和3缸。排氣歧管內(nèi)壁面最高溫度為679℃，外壁面最高溫度為674℃，低于材料可承受的最高溫度760℃，滿足要求。

圖8 排氣歧管內(nèi)外壁面溫度分布

1.5 排氣歧管高周疲勞分析

排氣歧管強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖9所示，排氣歧管最大應(yīng)力為231MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度310MPa，滿足要求。

圖9 排氣歧管應(yīng)力分布

圖10 排氣歧管安全系數(shù)分布

高周疲勞安全系數(shù)如圖10所示，從圖中可以看出，最小安全系數(shù)主要位于螺栓孔處，最小安全系數(shù)為1.45，大于1.1的限值，滿足要求。

2 總結(jié)

通過(guò)以上分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)一維BOOST計(jì)算，三維CFD分析及有限元計(jì)算可對(duì)排氣歧管的熱負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果表明這種方法是快速有效的。

（2）通過(guò)計(jì)算，排氣歧管內(nèi)壁面最高溫度為679℃，外壁面最高溫度為674℃，低于材料可承受的最高溫度760℃，滿足要求。

（3）排氣歧管最大應(yīng)力為231MPa，低于材料的屈服強(qiáng)度310MPa，滿足要求。

（4）排氣歧管的高周疲勞安全系數(shù)最小為1.45，大于1.1的限值，可進(jìn)行工程開(kāi)發(fā)。

[1] 楊曉,郭濤CFD-FEA耦合技術(shù)分析發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱負(fù)荷[J].制造與裝備技術(shù),2010（10）:42-43.

[2] 董非,蔡憶昔,范秦寅等.內(nèi)燃機(jī)排氣歧管瞬態(tài)熱流體-熱應(yīng)力耦合仿真的研究[J].汽車工程,2010,32（10）:854-859.

[3] 高偉,張超.某柴油機(jī)排氣歧管流固耦合CAE分析[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2015（3）:21-25

[4] 楊萬(wàn)里,許敏,劉國(guó)慶等.發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管熱負(fù)荷數(shù)值模擬[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,34(12): 98-100.

The CAE coupling analysis for the diesel exhaust manifold

Zhao Zhenzhen, Zhang Chao, Zhou Bo, Lu Ming

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

in order to predict the heat load of the diesel exhaust manifold and avoid the manifold are broken, the fluid-solid coupling method is adopted to analyze the diesel exhaust manifold. Firstly, the transient mass flow, pressure and temperature of the manifold are calculated using one-dimensional BOOST software, which as the boundary conditions for the calculation of internal flow field. Then the internal flow field and outflow field are calculated by FIRE software and the thermal boundary conditions of wall surfaces are obtained. The temperature field, stress field and high cycle fatigue of the exhaust manifold are analyzed by using the finite element software. Finally, the safety coefficient is 1.45, which can be used for engineering development.

Coupling; Flow Field; Thermal Stress

A

1671-7988(2018)24-140-03

U467.1

A

1671-7988(2018)24-140-03

U467.1

趙真真，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.050