基于Fluent与Abaqus的中冷管道气流冲击计算

霍小臭，李艳君，袁帅，潘效龙

潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000

0 引言

为了提升发动机的扭矩和功率，同时满足日益严格的排放法规，增压发动机已经成为目前发动机开发的主流方向。随着发动机单位排量的功率和扭矩不断提高，涡轮增压压力也在不断提高，对发动机进气管路的要求也越来越高，但目前针对增压系统的研究多数集中在增压器或中冷器，针对进气管路的研究较少。

本文针对发动机运行时由于气流冲击造成的中冷管和支架变形开裂、胶管脱落等问题，采用CFD分析软件Fluent，对某型号增压中冷柴油发动机的中冷管流场进行了计算，通过映射数据将计算结果导入Abaqus进行应力计算，对设计中的薄弱点进行分析，为后续管路的设计和改进提供参考。

1 中冷管路内流场计算

1.1 分析模型及网格

模型采用某增压中冷柴油发动机的中冷前管路，管路整体材质为不锈钢，其模型如图1所示。

图1 中冷前管路模型

本文提取中冷管内流道进行网格划分，中冷管内流道网格模型如图2所示，网格总数为110万，内流道近壁面处设置5层边界层。

图2 中冷管内流道网格模型

中冷管中的气体流动计算采用的边界条件来源于试验实测，在1 800 r/min的恒定转速下，输出功率由0快速加载至100%，通过中冷前管道的气体流量、压力和温度随时间的变化曲线如图3所示。流体介质采用空气，空气密度使用理想气体模型，黏度采用分子动力学模型，即空气密度和黏度均随压力和温度变化。

图3 气体流量、压力和温度随时间的变化曲线

1.2 计算结果

内流场计算采用瞬态计算，将图3中的边界条件以Profile文件的形式输入Fluent软件中，从而实现各进出口边界的温度、流量随时间变化。湍流模型采用标准-方程，壁面区域采用标准壁面函数，时间项采用一阶隐式格式离散，压力与速度耦合使用Simple算法。中冷管最大壁面切应力随时间的变化曲线如图4所示，最大切应力出现在加载1.3 s。

图4 中冷管最大壁面切应力随时间的变化曲线

选取最大壁面切应力达到峰值的时刻，其压力分布云图如图5所示，将壁面上的压力分布导出，经单位变换后用于接下来的Abaqus分析。

图5 中冷管内流道压力云图

2 中冷管道气流冲击应力计算

2.1 计算模型

中冷管道气流冲击应力计算模型如图6所示，主要包括中冷管道和固定中冷管的支架和U形螺栓。中冷管道采用STRI65壳网格，网格尺寸5 mm，其余部分采用C3D10网格，尺寸为1.5 mm，网格总数约70万个。

图6 中冷管道气流冲击应力计算模型

利用分析软件Fluent计算得到的中冷管内壁的压力分布映射至Abaqus，整体模型与管道口处的载荷边界如图7所示。边界条件显示压力，方向箭头垂直于管道内壁面指向管道外侧。

图7 整体模型与管道口处的载荷边界

2.2 中冷管道气流冲击应力计算

发动机工作过程中，中冷管内高压和高速的空气对中冷管道壁面产生较大的冲击，造成较为显著的应力和形变。本文计算了气压和气流冲击作用下中冷管的应力和形变。中冷管应力分布如图8所示。

图8 中冷管应力分布

由图8可知，中冷管和支架本身并不存在应力过高的区域，但固定中冷管的U形螺栓根部存在较大面积的应力过高，已经超出材料的屈服极限，如图9所示。因此，在发动机快速加载过程中，U形螺栓的根部可能出现开裂失效，造成中冷管道失去约束，进而造成中冷管变形或胶管开脱。

图9 U形螺栓应力

中冷管变形量如图10所示。由图可以看出，最大变形量为0.74 mm，中冷管下端变形量显著高于上部分。

图10 中冷管变形量

3 改进方案

通过上述计算分析可知，U形螺栓强度明显不足，为此将6 mm的U形螺栓改为8 mm，重新进行上述计算分析。加粗后的U形螺栓应力如图11所示。由图可以看出，加粗U形螺栓后仍存在较大面积的应力超标，说明该改进方法可行度较低。

图11 加粗后的U形螺栓应力

于是将管壁厚度由原来的1.5 mm增加至2 mm和2.5 mm，重新进行计算分析。加厚管壁后U形螺栓应力如图12所示。由图可以看出，当管壁厚度增加至2 mm时，不存在应力超标区域；当管型厚度增加至2.5 mm时，U形螺栓上的应力进一步减小，但减小幅度不大。

图12 加厚管壁后U形螺栓应力

图13为加厚管壁后的中冷管变形量。由图可以看出，管壁厚度为2 mm时，中冷管最大变形量为0.41 mm；管壁厚度为2.5 mm时，最大变形量为0.36 mm。随着管壁加厚，中冷管道变形量显著减小。综上所述，对于U形螺栓开裂、断裂问题，通过增加管壁厚度可以得到显著改善。

图13 加厚管壁后的中冷管变形量

4 结论

(1)使用Fluent软件对中冷管道的内流场进行了瞬态计算，并通过与Abaqus的耦合，对中冷管内气流冲击引起的应力进行了预测。

(2)通过计算，最大应力出现在U形螺栓根部，且超过了材料的屈服极限，存在断裂风险，最大变形量出现在中冷管下端。

(3)通过加粗U形螺栓，对螺栓根部应力过高情况的改善效果不明显；通过增加管壁厚度，可显著改善该问题，为今后的设计和故障解决提供了思路。