基于ANSYS的發動機排氣歧管流熱固耦合性能分析

摘要：發動機排氣歧管運行在高低溫交變載荷下局部存在熱應力集中引起塑性形變，易產生疲勞破壞，影響使用壽命。運用ANSYS workbench模塊對排氣歧管進行了流熱固耦合性能分析，通過對高溫高壓廢氣流動模擬得出排氣歧管的管道流場、應力場和溫度場，確定了排氣歧管塑性形變集中位置，驗證了排氣歧管設計，同時對排氣歧管結構性能進行了分析。

關鍵詞：ANSYS；排氣歧管；流熱固耦合

中圖分類號：U464" 收稿日期：2023-09-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.006

1 前言

汽車發動機通常在中高速運行，可燃混合物在發動機中燃燒做功后產生的廢氣通過排氣歧管、三元催化以及消音器排放到大氣中。由于排氣歧管內外側較大的溫度梯度，使得排氣歧管產生了極不均勻的熱應力分布［1］。排氣歧管作為發動機廢氣排放的主要部件，運行在高低溫交變載荷下會產生局部應力集中而引起的塑性變形，易產生局部裂縫。因此，熱應力和熱載荷會導致排氣歧管壽命下降。

對于發動機排氣歧管的流體場、溫度場以及應力場的流熱固耦合性能，在近些年有不少學者進行了研究。康文明［2］研究真空泵在入口壓力、轉速對泵容積效率、排氣溫度的影響；孔德遜［3］研究雙螺桿壓縮機轉子橡膠涂層，考慮壓縮機工作時產生的壓力場和溫度場，對壓縮機進行多場耦合數值分析，驗證橡膠涂層轉子的結構特性；蘇荊攀等［4］對LNG領域的超低溫球閥進行了流熱固耦合仿真試驗，對超低溫球閥的溫度和應力進行分析，得出了閥座上結構發生突變的位置容易產生應力集中和閥體內表面上的等效應力要大于外表面。

本文主要以某款賽用四缸發動機排氣歧管作為研究對象，根據發動機的布置形式重新對其進行結構設計，運用ANSYS workbench模塊分析該款發動機的排氣歧管的流熱固耦合性能，并對高溫高壓廢氣流動進行模擬，得出排氣歧管的管道流場、應力場和溫度場，同時分析確定了排氣歧管塑性形變集中位置，對排氣歧管設計進行了驗證，對排氣歧管結構性能也開展了研究工作。

2 流-熱-固耦合分析理論

諸多工程實踐中普遍存在流體和結構相互作用而產生熱量的情況，流體、溫度和固體三個物理場互相影響（圖1），流體的壓力會引起固體的形變，而固體應變會導致流體域產生流場變化，固體的應變與流體的的熱傳導則會引起載荷的變化等。因此，在工程分析中往往忽略了流體、溫度、固體等多個物理場疊加耦合的相互影響與熱量傳遞。多個物理場相互疊加的問題也稱為多場耦合問題［5］。隨著計算算法的快速發展，有限元分析可以從單場轉變為多場耦合分析，將多個物理場用迭代求解的方法求解耦合問題，綜合各個物理場之間的干擾影響，使有限元分析結果更趨近于工程實踐。

3 流-熱-固耦合系統模型建立

本文針對排氣歧管進行流熱固多場耦合分析。排氣歧管的工作環境苛刻，在發動機排氣過程時不僅受到機械應力的影響，還受到高溫廢氣流動造成熱負荷產生熱應力的影響［6］。發動機產生的高溫廢氣會通過熱傳導的方式傳遞到排氣歧管的管內壁面，造成排氣歧管壁面存在溫度差異，產生熱應力。傳熱過程中，熱通量與溫度場在固體壁面變化，是因為排氣歧管廢氣熱量在快速流動而導致的溫度場變化，因此需要考慮的流體、溫度、固體之間的相互作用與影響。

為此，本文流-熱-固耦合采用三個物理場直接耦合的方法（圖2），將多個物理場放到同一方程矩陣中求解。運用有限元分析ANSYS workbench中的幾何模塊Geometry、流體模塊Fluent （with Fluent Meshing）、熱分析模塊steady-state Thermal和靜態固體結構模塊Static structural進行耦合場分析。先通過排氣歧管的內部流體分析，得到流體域與固體域的溫度場與壓力場。繼而將流體分析得到的溫度放在熱分析模塊中求解該歧管的溫度場，完成流-熱耦合過程，再將流體分析與熱分析耦合得到的壓力場與溫度場作為邊界條件，映射到靜態固體結構模中求解排氣歧管的熱應力分布與應變分布，完成流-熱-固三場耦合分析，繼而確定影響歧管塑性形變的位置。

4 排氣歧管流-熱-固耦合分析

4.1 內流場求解

發動機高溫廢氣在排氣氣管內流動要避免進行熱量的交換，因此排氣歧管需要有較好的結構流動性。本分采用ANSYS workbench中的流體模塊Fluent （with Fluent Meshing）進行內流場分析，先在SC Geometry模塊中進行幾何模型處理，以體積抽取生成內部流體域。為后續分析方便，在SCM中提前設置分組，設定4個廢氣入口，分別為Int1、Int2、Int3、Int4，出口為out，壁面為wall。將設定好的幾何模型導入Fluent Meshing進行網格劃分，將排氣歧管的入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口。邊界層設置3層，最小尺寸為0.3 mm，增長率為1.2，最終生成58萬網格，網格劃分完成后的剖面視圖如圖3所示。

排氣歧管各個支管的高溫廢氣相對獨立，配氣相位中的點火提前角對各支管的影響相對較小，因此各個支管可以當作獨立排氣互不影響，因為排氣歧管屬于熱交換與熱傳導，所以采用能量守恒方程：

[?E?t+?E+pμ=pFμ+?μτ+?k?T+pq]

式中，[p]為氣體流體密度；[μ]為氣體速度；F為質量力；τ為黏性力。

將前面已經做好的前處理模型切換到流體求解模式，設定k-omega（2 eqn）黏性模型為SST，流體材料設定為不可壓縮的空氣，固體為排氣歧管的材料304不銹鋼。

流體域入口邊界條件：參照某款發動機的數據，質量流為0.12 kg/s，溫度為600 K。

流體域出口邊界條件：出口為壓力出口，壓力為0 Pa，溫度為300 K。

系統壁面邊界條件：設定流體域壁面與排氣歧管內壁面為耦合面［7］。

啟動能量方程求解排氣歧管的流體情況，迭代次數設定300步，最終計算排氣歧管的內流場的壓力云圖、溫度分布圖以及速度云圖，分別如圖4～圖6所示。

綜上云圖可知，入口處的壓力比出口處的壓力更大，歧管拐角處的壓力較直管處大，但整體壓力分布并未出現較大集中，在后續優化歧管彎曲度時可以提高拐角的流暢度。從溫度云圖可以看出整個歧管溫度分布較為均勻，流體溫度與歧管固體結構壁面溫度相近，也證明了直接耦合分析歧管的有效性。從速度云圖可以看出，出口處速度較入口速度較快。綜合三種云圖可以得出，設計四出二出一的排氣歧管結構可行性，后期在結構流暢度下進行優化設計。

4.2 溫度場求解

排氣歧管的能量隨固體進行熱傳導，能量從高溫區向低溫區傳遞。本文溫度場求解采用steady-state Thermal熱分析模塊，從熱通量和體積溫度去分析排氣歧管。設置邊界條件環境溫度為300 K，將流體域分析計算得到的歧管內壁面溫度分布云圖的數據導入溫度場中計算，使耦合分析數據更為準確，分別得到歧管熱通量云圖和體積溫度云圖，分別如圖7、圖8所示。

根據分析云圖可以得出，由于排氣歧管氣體流速快，廢氣又為高溫廢氣，所以隨著廢氣熱量和流速增多，導致內外側壓力有溫差，廢氣的熱交換效率會降低；而排氣歧管的外壁面溫度較高，特別是四出二彎道處和二出一彎道處的溫度較高，出口處法蘭附近的溫度較為集中，大量的熱量積累則有可能導致該處的熱應力較大，該處又與三元催化器等直接接觸，存在較大的接口咬合力，進一步加大熱疲勞的現象產生。為此在優化中需要對該處進行加厚處理，或者更改咬合結構。

4.3 應力場求解

排氣歧管的熱應力計算需要考慮內外部因素，歧管在發動機工作廢氣的影響下不同位置的熱負荷也不相同。高溫高熱處受熱結構膨脹較大，低熱區則熱變形較小，外界的環境溫度也較為多變，導致內外溫差較大會產生熱應力變形，同時還受歧管法蘭固定的作用力下，限制歧管結構固體屬性形變，則產生較大的熱應力集中。因此本文采用固體熱傳導的方程計算，傳熱方程如下：

[?μ?t=k?2μ?x2+?2μ?y2+?2μ?z2=k（μxx+μyy+μzz）]

式中，[?μ]/[?t]為溫度對時間變化率；[μxx]、[μyy]、[μzz]為溫度的二階導數；k為材料熱擴散系數。

本文固體應力分析采用Static structural靜態固體結構模塊，將排氣入口處的4個法蘭和出口處法蘭固定，同時將流體域分析和溫度場分析得到的數據映射到應力場求解，可以做到流熱固直接耦合的分析，最終求解得到的應力云圖和等效位移云圖分別如圖9、圖10所示。

根據分析云圖可以得出，最大形變為4.2578 mm，發生在四出二歧管結合處，最大應力為239.45 MPa，發生在排氣歧管出口處的法蘭下部，從而可以得出排氣歧管的熱應力集中在熱量積累處的結構熱膨脹和咬合處。

5 結語

通過對排氣歧管流-熱-固耦合的分析，在內流場、溫度場和應力場求解綜合得出以下結論：排氣歧管的溫度大多集中在拐角結合處和結構咬合處，由于熱量積累導致結構熱膨脹和熱應力集中，容易導致這些部位易產生熱疲勞和塑性形變。因此本文分析驗證了排氣歧管四出二出一結構的合理性，也通過分析得知應力主要集中位置，研究結論可為后續結構優化設計與性能的研究分析提供參考。

參考文獻：

[1]胡瑞.基于流固耦合的某發動機排氣歧管瞬態換熱分析[D].重慶：重慶理工大學，2019.

[2]康文明.羅茨真空泵流熱固耦合分析及性能預測[D].廣州：華南理工大學，2019.

[3]孔德遜.雙螺桿壓縮機轉子橡膠涂層優化與流熱固耦合分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2022.

[4]蘇荊攀，李永喜，王麗，等.超低溫球閥流熱固耦合仿真分析[J].閥門，2023（3）：332-334.

[5]李雪妮.發動機排氣歧管非穩態傳熱串行耦合分析方法研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[6]吳敦環.某型柴油機排氣歧管性能分析及優化[D].大連：大連理工大學，2021.

[7]鄭習嬌等.發動機排氣歧管流固耦合熱特性分析[J].機械設計與制造工程，2017，46（12）：13-17.

作者簡介：

倪小堅，男，1993年生，工程師，研究方向為汽車結構設計與CAE技術。