某柴油机排气歧管流固耦合CAE分析

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摘 要：为了预测柴油机排气歧管的热负荷，避免排气歧管疲劳断裂，采用流固耦合方法进行分析。首先用一维BOOST软件计算排气歧管进出口的瞬态流量、压力及温度作为内流场计算的边界条件;然后采用FIRE软件计算排气歧管的内外流场，得到内外壁面的热边界条件;再以此为边界，使用有限元软件对排气歧管进行温度场、应力场及高周疲劳进行分析，最终得到安全系数为1.45，可进行工程开发。

关键词：耦合;流场;热应力

中图分类号：U467.1  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2018）24-140-03

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）

Abstract： 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.Keywords： Coupling; Flow Field; Thermal StressCLC NO.： U467.1  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2018）24-140-03

前言

排氣歧管是发动机主要的受热零部件，其与高温废气直接接触、工作环境恶劣，特别是由于高温和温度分布不均匀而产生的热应力的反复作用，往往形成热疲劳裂纹，造成其破坏^[1]。并且随着发动机性能的不断提高，排气歧管承受的热负荷也随之加大。在发动机可靠性试验中，排气歧管常见失效模式有疲劳断裂及密封失效。为避免排气歧管疲劳断裂，在设计开发过程中，应对其进行研究，对排气歧管进行流固耦合分析已经成为避免排气歧管断裂故障的重要手段之一^[2-3]。

本文以某柴油机排气歧管为研究对象，采用流固耦合方法来计算排气歧管的温度分布、热应力分布及高周疲劳安全系数。并对温度、应力、安全系数三个指标进行评价，判断排气歧管是否会发生断裂故障。

1 计算过程

排气歧管的热负荷仿真分析流程如下：首先，使用BOOST软件进行一维性能分析，得到排气歧管各进出口的瞬态质量流量、压力及温度。其次，使用三维CFD软件FIRE计算排气歧管的瞬态内流场，计算出内壁面瞬态对流换热系数和环境温度^[4]，用时域平均的方法得到排气歧管内壁面的稳态对流换热系数和温度;用FIRE软件计算排气歧管的稳态外流场，得到稳态对流换热系数和温度。最后，使用有限元软件计算得到排气歧管的温度分布、热应力分布，并对排气歧管进行疲劳分析。

1.1 一维BOOST计算

根据发动机各零部件的实际几何尺寸和特性参数搭建BOOST计算模型，如图1所示。

经过一维BOOST计算，得到额定工况下排气歧管各支管入口和排气总管出口处的瞬态压力、温度及质量流量。其中，BC_01～BC_04分别代表各排气歧管的入口处，BC_ OUTLET代表排气总管的出口处。通过BOOST计算的一个稳定工作循环的瞬态结果（如图2）作为排气歧管内流场瞬态计算的边界条件。

1.2 排气歧管内流场CFD计算

排气歧管内流场模型采用FIRE M软件划分网格，网格尺寸为2mm。为了有利于计算收敛，进出口边界均沿法线方向延长了20层（每层高度为2mm）。最终的网格单元数约为17万。

排气歧管内流场计算的边界条件为图2中BOOST提供的一个工作循环的瞬态边界，曲轴转角为0°～720°。

采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SIMPLE。设定管内空气流动为可压缩粘性流动，空气为理想气体，湍流模型为k-ξ-f方程。使用混合壁面描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y+值在11～200之间。残差小于0.0001。

计算完成后，在FIRE软件中，利用自带程序自动将CFD计算得到的近壁面的温度和换热系数作时间平均并映射到有限元面网格，得到温度和换热系数平均值作为有限元计算的边界，图4所示。

1.3 排气歧管外流场CFD计算

排气歧管外流场计算为稳态计算，模拟试验台架上的风扇冷却过程。参考风扇的鼓风速度，设定外流场入口速度为8m/s。

外流场的数模包括排气歧管、增压器和隔热罩。隔热罩厚度仅为3mm，因此网格需要进行局部加密。由于模型较复杂，且尺寸相差较大，采用FIRE M进行网格划分较为方便。

使用FIRE软件进行排气歧管外壁面流场分析，将CFD计算得到的排气歧管外壁面温度场和换热系数映射到有限元面網格，得到温度和换热系数平均值作为有限元计算的边界，图7所示。

1.4 排气歧管温度场分析

分析模型包括排气歧管、模拟缸盖、增压器、弯管以及增压器支架。使用Hypermesh对模型进行网格划分。排气歧管内壁面和外壁面的温度及换热系数边界由CFD计算得到，内外壁面边界如图4、图7所示。

图8为排气歧管内外壁面的温度分布，从图中可以看出第2缸和第3缸对应排气歧管的内外壁面部分的温度较高，这是因为温度分布为时域平均值，1缸和4缸排气时高温气体流经2缸和3缸。排气歧管内壁面最高温度为679℃，外壁面最高温度为674℃，低于材料可承受的最高温度760℃，满足要求。

1.5 排气歧管高周疲劳分析

排气歧管强度计算结果如图9所示，排气歧管最大应力为231MPa，低于材料的屈服强度310MPa，满足要求。

高周疲劳安全系数如图10所示，从图中可以看出，最小安全系数主要位于螺栓孔处，最小安全系数为1.45，大于1.1的限值，满足要求。

2 总结

通过以上分析，得出以下结论：

（1）通过一维BOOST计算，三维CFD分析及有限元计算可对排气歧管的热负荷进行预测，计算结果表明这种方法是快速有效的。

（2）通过计算，排气歧管内壁面最高温度为679℃，外壁面最高温度为674℃，低于材料可承受的最高温度760℃，满足要求。

（3）排气歧管最大应力为231MPa，低于材料的屈服强度310MPa，满足要求。

（4）排气歧管的高周疲劳安全系数最小为1.45，大于1.1的限值，可进行工程开发。

参考文献

[1] 杨晓，郭涛CFD-FEA耦合技术分析发动机排气歧管热负荷[J].制造与装备技术，2010（10）：42-43.

[2] 董非，蔡忆昔，范秦寅等.内燃机排气歧管瞬态热流体-热应力耦合仿真的研究[J].汽车工程，2010，32（10）：854-859.

[3] 高伟，张超.某柴油机排气歧管流固耦合CAE分析[J].内燃机与动力装置，2015（3）：21-25

[4] 杨万里，许敏，刘国庆等.发动机排气歧管热负荷数值模拟[J].华中科技大学学报（自然科学版），2006，34（12）： 98-100.

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