某柴油机排气歧管CFD分析

2014-09-20张超木立萍雷蕾

汽车零部件 2014年6期

关键词：热应力瞬态稳态

张超，木立萍，雷蕾

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022)

某柴油机排气歧管CFD分析

张超，木立萍，雷蕾

(安徽江淮汽车股份有限公司，安徽合肥 230022)

为了在排气歧管的研发过程中准确预测其热负荷，需要进行热应力分析，该分析需要CFD计算提供边界。将CFD软件与结构软件耦合进行两轮瞬态计算生成温度和换热系数边界，并且进行稳态计算，得到压力分布和速度分布。

排气歧管；CFD分析；热应力

Abstract:In order to predict the thermal load of the exhaust manifold in the development process,thermal stress analysis is needed, and this analysis needs boundary conditions provided by CFD calculation.The boundary conditions of the temperature and the heat transfer coefficient were calculated by two rounds transient calculation through the coupling of the CFD software and structure software, and the pressure distribution and the velocity distribution were calculated by steady analysis.

Keywords:Exhaust manifold;CFD analysis;Thermal stress

0 引言

目前，柴油机朝着大功率方向发展，其强化程度不断增加[1-2]。随着强化程度的增加，热负荷也随之增加。而排气歧管是柴油机主要受热零部件之一[3-4]，从气缸内排出的高温废气直接和排气歧管接触，温度高。所以热应力大，在其表面容易产生热疲劳，对排气歧管造成破坏，从而引起柴油机不能正常工作，因此需要对排气歧管进行热应力分析。目前国内外进行排气歧管热应力分析应用较多的方法是流固耦合法[5]，该方法通过CFD模拟计算得到排气歧管的边界，然后提供给结构分析软件进行热应力计算。

文中对某款柴油机排气歧管内流场进行CFD分析，主要进行稳态分析和瞬态分析。稳态分析主要是计算排气歧管压力损失，通过压力场分布和速度场分布看有无大的流动分离部位；瞬态分析主要是提供热应力分析所需要的内流场边界，包括温度和换热系数边界。

1 模型

此次计算的模型见图1。在图1(b)的基础之上进行网格划分。

2 模型建立

2.1 网格划分

利用Fire软件自带的Fame工具划分网格，网格的尺寸为2 mm。为了有利于计算的收敛，进出口边界均沿法线方向延长了20层(每层高度为2 mm)。最终的网格数目约为16.4万，98%以上为六面体，其余为四面体、五面体等的混合网格。

2.2 边界条件

2.2.1 稳态计算

稳态计算共计算了4个工况，对应于1～4缸各支管入口分别打开、其他歧管关闭的状态。参考BOOST计算中一个循环的平均数值，分别计算一个歧管打开、其他歧管关闭的工况。计算模型如图1所示,边界定义如下：

入口边界：质量流量138 kg/h；

出口边界：静压0.332 MPa。

2.2.2 瞬态计算

瞬态计算：直接采用了Boost一个循环的瞬态结果作为边界，分别为质量流量曲线、温度曲线及压力曲线。

入口边界：BC_1、BC_2、BC_3、BC_4均采用瞬态质量流量、瞬态温度。

出口边界： BC_OUTLET采用瞬态静压、瞬态温度。

3 计算结果

3.1 稳态分析

表1列出了各计算工况歧管的进出口压力差，可以看到在保持流量和出口压力相同的情况下，4个计算工况歧管的进口压力几乎完全相同，压力损失最大仅有1.045‰，这是一个很小的压力损失比例，表明各歧管的流通性良好，流动分离小。

表1 各歧管流动压力统计

图3(a)、(b)、(c)及(d)分别为1～4缸排气歧管开启时的压力场分布图。可以看出：各个歧管分别开启时，排气总管流通性良好，没有压力损失较大的部位。

图4(a)、(b)、(c)及(d)分别为1～4缸排气歧管开启时的速度场分布图。可以看出：各个歧管分别开启时，排气总管速度分布较为均匀，气体流动分离小。

3.2 瞬态分析

瞬态计算的目的主要是为排气歧管的热应力计算提供边界，共计算了5个循环，即0～3 600°CA。其中前4个循环为了计算收敛，取最后一个循环中气体的温度和换热系数平均值作为热应力计算的边界。

CFD计算完之后，在Case目录下产生一个htcc文件，它记录了每个输出频率上的近壁面温度和换热系数。通过mapping产生inp文件，将该文件以图形表示见图5，其中温度T在521.44～858.69 K内，换热系数αHTC在28.674～477.03 W/(m2·K)范围内。

将inp文件导入到结构软件中进行计算。将结构体网格节点温度输出为rpt文件，将流固耦合层的节点温度取出，作为第2次CFD计算的边界，并导入Fire中。然后再次进行CFD计算，因为通过结构软件计算，可以得到更准确的壁面温作为CFD计算的边界条件。FEM-CFD计算后得到的文件以图形表示见图6。其中温度T在564.67～909.89 K范围内，换热系数αHTC为29.205～451.42 W/(m2·K)。