基于Fluent 的排氣歧管熱應力仿真分析*

楊 燾 趙 韡 李江浩 郭 鵬

（1-中北大學機械工程學院 山西 太原 030051 2-山西偉鼎實業有限責任公司）

引言

排氣歧管是發動機的重要組成部分，在持續高溫氣體沖擊下，排氣歧管受熱膨脹，產生的熱應力使排氣歧管容易出現變形甚至開裂等問題。此外，在熱應力作用下，排氣歧管不停地膨脹收縮，容易發生熱塑性應變；隨著高溫下材料強度大幅降低，排氣歧管出現疲勞開裂、密封墊損壞等失效情況的可能性增大[1]。排氣歧管出現故障的原因主要有：材料選擇不佳、結構設計不合理以及相關制作工藝不完善等[2]。排氣歧管失效問題嚴重影響著排氣歧管的使用壽命以及綜合性能，需對其結構進行優化[3]。

在工作過程中，排氣歧管的熱量一般通過熱傳導方式傳導至相鄰結構，或者以熱輻射以及熱對流方式傳遞到大氣環境中。因此，在工作過程中，排氣歧管的溫度梯度較大，使得發動機性能及其廢氣排放受到較大影響[4]。在實際工作過程中，經常出現排氣歧管與發動機連接端密封失效、高溫廢氣泄漏、緊固螺栓斷裂、冷卻水滴漏、冷卻水流通受阻以及尾氣排放阻力增大等問題。研究發現，熱特性以及散熱結構是影響排氣歧管使用壽命的重要因素[5-6]。在研究高溫工作環境對排氣歧管的影響時，為了縮短設計開發周期、降低研究成本，可采用數值計算的方法對排氣歧管流場以及熱應力分布情況進行分析，不僅可以預測工作過程中潛在的問題，還可以為后續排氣歧管結構優化設計提供參考[7-8]。

本文基于ANSYS Workbench 計算平臺，采用Fluent 計算模塊分析排氣歧管在工作過程中涉及到的尾氣排放、固體結構材料之間的傳熱以及變形等物理過程，對仿真計算后排氣歧管的熱變形、熱應力分布情況進行分析。基于計算結果提出了優化方案，通過試驗證明了其有效性。

1 模型分析

本文以某型號發動機為研究對象，對其排氣歧管工作過程進行仿真分析，建立排氣歧管模型如圖1所示。

圖1 排氣歧管模型

首先對排氣歧管結構進行如下簡化處理：幾何模型保留功能結構，忽略工藝結構；物理邊界條件相關參數根據理論計算確定，忽略實際工況中的變化及波動。

然后分析模型內流場，將排氣歧管計算流體域從模型空腔內抽取出來后劃分網格，網格單元類型為四面體，單元數為810 918，節點數為157 399；流體域入口、出口設置如圖2 所示。鑒于流體域高溫煙氣湍流特征明顯，采用標準k-ε 湍流模型進行內流場及溫度場計算；壁面使用對流換熱模型，采用溫度壁面；流體域入口溫度[4]取973 K。

圖2 排氣歧管流體域入口、出口設置示意圖

仿真計算邊界條件參數設置見表1。

表1 內流場仿真計算邊界條件

將內流場溫度分布結果映射到所建立的排氣歧管模型內壁面，通過計算可得到固體內壁面溫度分布情況；將內壁面溫度場作為下一步求解固體域熱變形以及熱應力計算結果的熱邊界條件。分析過程中，排氣歧管材料采用碳素鋼Q235，其材料屬性見表2。

表2 碳素鋼Q235 材料屬性

排氣歧管入口處與發動機連接，因此在排氣歧管6 個入口處施加位移約束，對排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況進行計算。

2 仿真結果分析

流固耦合仿真分析所得排氣歧管外壁面溫度分布情況如圖3 所示。

圖3 碳素鋼Q235 排氣歧管外壁面溫度分布情況

碳素鋼Q235 排氣歧管的熱變形以及熱應力分布情況如圖4 所示。

圖4 碳素鋼Q235 排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況

圖3 與圖4 的仿真計算結果顯示：排氣歧管溫度在入口、出口處達到最大，整體變形向出口方向發展，出口位置變形量最大，達到2.235 2 mm；排氣歧管的平均變形量為0.892 mm，整體變形情況不嚴重。各尾氣通道與入口結合部位熱應力較大，原因是分析時在入口處施加了約束，導致入口處自由膨脹受到限制，機械應力與熱應力共同作用導致入口處出現應力集中；排氣歧管所承受的平均熱應力為1 002.2 MPa，遠遠超過了材料的屈服強度，容易發生塑性變形甚至出現開裂、漏氣現象，進而導致排氣歧管失效。

3 優化設計

3.1 材料優化

研究表明，排氣歧管所用材料必須在高溫下具備良好的抗氧化性能[9]。從上述分析計算結果可知，碳素鋼Q235 并不能滿足要求，應采用不銹鋼等高溫環境下強度依舊符合要求的材料[10]。

不銹鋼409 的材料屬性見表3。

表3 不銹鋼409 材料屬性

從表2 和表3 可知，與碳素鋼Q235 相比，不銹鋼409 的材料密度減小了1.91%、熱膨脹系數減小了15.38%、屈服強度增大了76.60%，理論上，不銹鋼409 更適于用作排氣歧管材料。

采用不銹鋼409 作為排氣歧管材料，對排氣歧管工作過程進行仿真計算。圖5 為不銹鋼409 排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況。

圖5 不銹鋼409 排氣歧管熱變形及熱應力分布情況

由圖5 可知，與使用碳素鋼Q235 相比，使用不銹鋼409，排氣歧管在工作過程中的熱變形與熱應力均有所減小，但排氣歧管的總體熱變形與熱應力依然偏大。為了進一步提高排氣歧管的工作可靠性，本文對不銹鋼409 排氣歧管進行優化設計。

3.2 結構優化

實際工作環境中，在超載、超速或遇到特殊路況時，排氣歧管負荷大幅增加，失效可能性增大。為了進一步緩解排氣歧管熱應力集中現象，使整個排氣歧管裸露金屬表面溫度達到安全要求值，從而使排氣歧管在不同工作狀況下都符合使用要求，必須對排氣歧管結構進行優化。為此，本文設計了一種全包覆水冷不銹鋼409 排氣歧管。其原理是：在排氣歧管通道周圍新增冷卻通道，通過在冷卻通道中通入冷卻水來降低排氣歧管溫度。

3.2.1 優化結構仿真分析

為了更加貼合實際，仿真分析分為2 部分，分別對優化后的不銹鋼409 排氣歧管空載和負載2 種工作狀態下排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況進行仿真計算。其中，負載狀態下汽車負載質量為5 000 kg。冷卻水入口流量為3 L/min，入口溫度為293 K；空載和負載狀態下冷卻水出口溫度分別為303 K 和337 K。圖6 為優化后的不銹鋼409 排氣歧管空載狀態下熱變形以及熱應力分布情況。

圖6 優化后的不銹鋼409 排氣歧管空載狀態下熱變形以及熱應力分布情況

由圖6 所示的計算結果可知，空載狀態下，優化后的不銹鋼409 排氣歧管平均變形量為0.025 mm，所承受的平均熱應力為50.0 MPa。

圖7 為優化后的不銹鋼409 排氣歧管負載狀態下熱變形以及熱應力分布情況。

圖7 優化后的不銹鋼409 排氣歧管負載狀態下熱變形及熱應力分布情況

由圖7 所示的計算結果可知，負載狀態下，優化后的不銹鋼409 排氣歧管平均變形量為0.024 mm，所承受的平均熱應力為47.0 MPa。

對比圖7 與表3 可知，優化后的不銹鋼409 排氣歧管，僅各尾氣通道與入口結合部位的熱應力稍大于材料的屈服強度；在2 種工作狀態下，排氣歧管整體承受的平均熱應力均大幅小于材料的屈服強度。

綜合仿真計算結果可知，優化后的不銹鋼409排氣歧管，變形規律與原碳素鋼Q235 排氣歧管類似，同樣在出口處變形達到最大值；但整體變形情況不嚴重，符合使用需求。與原碳素鋼Q235 排氣歧管相比，優化后的不銹鋼409 排氣歧管，入口處所承受的熱應力大幅下降，排氣歧管整體承受的熱應力有所下降，緩解了熱應力集中現象。原因是優化后的不銹鋼409 排氣歧管采用全包覆水冷結構，冷卻水與高溫壁面接觸面積較大，有效提高了換熱效果；另外，優化后的不銹鋼409 排氣歧管，在工作過程中，高溫尾氣攜帶的部分熱量隨冷卻水從出口排出，有效降低了排氣歧管外壁面溫度。

相比于原碳素鋼Q235 排氣歧管，優化后的不銹鋼409 排氣歧管，安全可靠性大大提高，有效降低了排氣歧管工作過程中由于承受較大熱應力而出現疲勞、開裂等失效問題的可能性。

3.2.2 優化結構試驗分析

為了驗證排氣歧管的優化效果，本文對優化后的不銹鋼409 排氣歧管不同位置的溫度進行測量，通過現場試驗對仿真結果進行驗證。溫度測量示意圖如圖8 所示。

圖8 溫度測量示意圖

將熱電偶通過銅膠帶固定于排氣歧管表面，使用熱電偶對排氣歧管空載及負載狀態下不同位置的溫度進行測量，共測量5 個位置。試驗分2 組進行，第1 組試驗分別對排氣歧管開始運行后空載以及負載狀態下的溫度進行測量，共測量6 組數據，測量時間間隔為3 min；排氣歧管停止運行后，進行第2 組試驗，分別對排氣歧管熄火時空載以及負載狀態下的溫度進行測量，共測量6 組數據，測量時間間隔為3 min。2 組試驗的測量結果分別見表4 和表5。

表4 運行狀態下排氣歧管溫度測量結果K

表5 熄火狀態下排氣歧管溫度測量結果K

從表4 和表5 所示的測量結果可以看出，運行狀態下，排氣歧管的溫度大體上逐漸升高，但整體溫度上升幅度較小；熄火狀態下，排氣歧管溫度大體上逐漸降低。

優化后的不銹鋼409 排氣歧管外壁面溫度分布情況如圖9 所示。

圖9 優化后的不銹鋼409 排氣歧管外壁面溫度分布情況

通過Mechanical 模塊導出計算模型所有節點溫度，然后求平均值。根據圖3 得出：優化前的碳素鋼Q235 排氣歧管，試驗所測壁面處的平均溫度為656.70 K；根據圖9 得出：優化后的不銹鋼409 排氣歧管，相應壁面處的平均溫度為322.09 K。由此可知，與優化前的碳素鋼Q235 排氣管相比，優化后的不銹鋼409 排氣管，壁面溫度整體降低。從表4 的測量結果可知，相應壁面處所測最低溫度為303.38 K，最高溫度為377.49 K，仿真計算結果合理。

通過對比可知，優化后的不銹鋼409 排氣歧管有效降低了排氣歧管的工作溫度、減小了排氣歧管的工作環境溫度梯度，進而減小了排氣歧管所承受的熱應力。

由于優化后的不銹鋼409 排氣歧管設計采用全包覆水冷結構的設計思路，在水冷換熱的仿真分析過程中，采用恒溫熱源條件進行極限能力分析。在實際工作過程中，壁面整體溫度會快速下降，熱流量遠小于仿真計算值，可確保排氣歧管符合安全條件。冷卻水域流場與2 類邊界直接相關，一類是與尾氣相互接觸的邊界壁面，該壁面溫度高，主要向冷卻水傳熱，將該類壁面邊界條件設定為恒溫邊界條件，計算過程中無限制供給熱量以保證該邊界居于高溫狀態；另一類邊界為冷卻水與外界空氣相互接觸的壁面，該類壁面邊界實際上存在冷卻水向外部環境散熱的過程，但計算過程中將該類璧面邊界條件定為絕熱邊界條件，使得冷卻水中熱量無法通過壁面傳到外界環境中，只能將所有熱量通過出口由冷卻水排出。通過這2 種壁面邊界條件使模型計算處于一種極端條件下，若在“高溫壁面恒溫+散熱壁面絕熱”的極端條件下，排氣歧管的冷卻效果能夠滿足理想要求，在實際的“高溫壁面最高熱流密度受限+散熱壁面輔助散熱”正常條件下，排氣歧管不僅可正常工作，而且可適當減少冷卻水流量，降低能耗。

4 結論

本文基于ANSYS Workbench 計算平臺，采用Fluent 計算模塊分析了排氣歧管在工作過程中涉及的尾氣排放、固體結構材料之間的傳熱以及變形等物理過程，對仿真計算后排氣歧管的熱變形以及熱應力分布情況進行了分析，得出如下結論：

1）相對于碳素鋼Q235，不銹鋼409 的材料強度更高、高溫性能更好。在相同的工作狀態下，碳素鋼Q235 排氣歧管的平均變形是不銹鋼409 排氣歧管的2.75 倍左右，所承受的平均熱應力是不銹鋼409排氣歧管的1.23 倍左右。

2）優化后的不銹鋼409 排氣歧管有效減小了排氣歧管工作過程中所承受的熱應力，提高了排氣歧管的工作穩定性。

3）優化后的不銹鋼409 排氣歧管，試驗所測位置溫度為303.38～377.49 K，平均溫度為340.43 K，由仿真計算得到的相應壁面平均溫度為348.85 K，試驗結果與仿真計算結果基本相符。

4）本文所設計的全包覆水冷不銹鋼409 排氣歧管，在空載以及負載狀態下都可以有效降低排氣歧管的壁面溫度。