某柴油機排氣歧管CFD分析

張超，木立萍，雷蕾

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

某柴油機排氣歧管CFD分析

張超，木立萍，雷蕾

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230022)

為了在排氣歧管的研發過程中準確預測其熱負荷，需要進行熱應力分析，該分析需要CFD計算提供邊界。將CFD軟件與結構軟件耦合進行兩輪瞬態計算生成溫度和換熱系數邊界，并且進行穩態計算，得到壓力分布和速度分布。

排氣歧管；CFD分析；熱應力

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，柴油機朝著大功率方向發展，其強化程度不斷增加[1-2]。隨著強化程度的增加，熱負荷也隨之增加。而排氣歧管是柴油機主要受熱零部件之一[3-4]，從氣缸內排出的高溫廢氣直接和排氣歧管接觸，溫度高。所以熱應力大，在其表面容易產生熱疲勞，對排氣歧管造成破壞，從而引起柴油機不能正常工作，因此需要對排氣歧管進行熱應力分析。目前國內外進行排氣歧管熱應力分析應用較多的方法是流固耦合法[5]，該方法通過CFD模擬計算得到排氣歧管的邊界，然后提供給結構分析軟件進行熱應力計算。

文中對某款柴油機排氣歧管內流場進行CFD分析，主要進行穩態分析和瞬態分析。穩態分析主要是計算排氣歧管壓力損失，通過壓力場分布和速度場分布看有無大的流動分離部位；瞬態分析主要是提供熱應力分析所需要的內流場邊界，包括溫度和換熱系數邊界。

1 模型

此次計算的模型見圖1。在圖1(b)的基礎之上進行網格劃分。

2 模型建立

2.1 網格劃分

利用Fire軟件自帶的Fame工具劃分網格，網格的尺寸為2 mm。為了有利于計算的收斂，進出口邊界均沿法線方向延長了20層(每層高度為2 mm)。最終的網格數目約為16.4萬，98%以上為六面體，其余為四面體、五面體等的混合網格。

2.2 邊界條件

2.2.1 穩態計算

穩態計算共計算了4個工況，對應于1～4缸各支管入口分別打開、其他歧管關閉的狀態。參考BOOST計算中一個循環的平均數值，分別計算一個歧管打開、其他歧管關閉的工況。計算模型如圖1所示,邊界定義如下：

入口邊界：質量流量138 kg/h；

出口邊界：靜壓0.332 MPa。

2.2.2 瞬態計算

瞬態計算：直接采用了Boost一個循環的瞬態結果作為邊界，分別為質量流量曲線、溫度曲線及壓力曲線。

入口邊界：BC_1、BC_2、BC_3、BC_4均采用瞬態質量流量、瞬態溫度。

出口邊界： BC_OUTLET采用瞬態靜壓、瞬態溫度。

3 計算結果

3.1 穩態分析

表1列出了各計算工況歧管的進出口壓力差，可以看到在保持流量和出口壓力相同的情況下，4個計算工況歧管的進口壓力幾乎完全相同，壓力損失最大僅有1.045‰，這是一個很小的壓力損失比例，表明各歧管的流通性良好，流動分離小。

表1 各歧管流動壓力統計

圖3(a)、(b)、(c)及(d)分別為1～4缸排氣歧管開啟時的壓力場分布圖。可以看出：各個歧管分別開啟時，排氣總管流通性良好，沒有壓力損失較大的部位。

圖4(a)、(b)、(c)及(d)分別為1～4缸排氣歧管開啟時的速度場分布圖。可以看出：各個歧管分別開啟時，排氣總管速度分布較為均勻，氣體流動分離小。

3.2 瞬態分析

瞬態計算的目的主要是為排氣歧管的熱應力計算提供邊界，共計算了5個循環，即0～3 600°CA。其中前4個循環為了計算收斂，取最后一個循環中氣體的溫度和換熱系數平均值作為熱應力計算的邊界。

CFD計算完之后，在Case目錄下產生一個htcc文件，它記錄了每個輸出頻率上的近壁面溫度和換熱系數。通過mapping產生inp文件，將該文件以圖形表示見圖5，其中溫度T在521.44～858.69 K內，換熱系數αHTC在28.674～477.03 W/(m2·K)范圍內。

將inp文件導入到結構軟件中進行計算。將結構體網格節點溫度輸出為rpt文件，將流固耦合層的節點溫度取出，作為第2次CFD計算的邊界，并導入Fire中。然后再次進行CFD計算，因為通過結構軟件計算，可以得到更準確的壁面溫作為CFD計算的邊界條件。FEM-CFD計算后得到的文件以圖形表示見圖6。其中溫度T在564.67～909.89 K范圍內，換熱系數αHTC為29.205～451.42 W/(m2·K)。

4 結論

通過對某柴油機排氣歧管的穩態分析和瞬態分析，得出以下結論：(1)該排氣歧管的壓力損失很小，沒有流動分離較大的地方；壓力分布和速度分布正常。

(2)通過FEM-CFD計算生成的溫度和換熱系數為熱應力計算提供更準確的邊界。

【1】 陳紅巖,李迎，李孝祿.柴油機流固耦合傳熱仿真研究[J].中國計量學院學報,2006,17(4):284-288.

【2】 李紅慶,楊萬里，劉國慶,等.內燃機排氣歧管熱應力分析[J].內燃機工程,2005,26(5):81-84.

【3】 陳征,張波,堯命發,等.基于數值模擬的排氣歧管優化策略[J].內燃機工程,2009,30(3):51-56.

【4】 楊萬里,許敏,劉國慶.發動機排氣歧管熱負荷數值模擬[J].華中科技大學學報,2006,34(12):98-100.

【5】 郭立新，韓穎，惠涵,等.CFD-FE耦合計算分析某汽油機排氣歧管熱負荷[J].現代車用動力,2009,29(2):10-14.

CFDAnalysisoftheDieselExhaustManifold

ZHANG Chao，MU Liping，LEI Lei

(Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd.，Hefei Anhui 230022,China)

2014-03-26

張超(1985—)，碩士，助理工程師，研究方向為內燃機工作過程。E-mail：563420286@qq.com。