基于UG的排氣歧管的分析

朱紅波（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院,河南　焦作　454000）

基于UG的排氣歧管的分析

朱紅波
（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院,河南焦作454000）

摘要：本文基于UG NX8.5流體仿真功能分析了汽車排氣歧管中氣體的流動(dòng)狀態(tài)、速度分布和壓力分布等。

關(guān)鍵詞：UG流體仿真；排氣歧管；流速；壓力

0　引言

UGNX流體運(yùn)動(dòng)仿真（NXFlow）就是用計(jì)算流體力學(xué)來準(zhǔn)確、高效地仿真流體運(yùn)動(dòng)。一個(gè)基于元件的有限量CFD方案通過解算Savier-Stock方程式來計(jì)算三維流體的速度、壓力和密度等參數(shù)。

1　問題描述

排氣歧管（如圖1所示）一般是汽車排氣系統(tǒng)里面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的部分，因?yàn)槠鋵?duì)長(zhǎng)度、彎度和口徑等尺寸形狀的要求嚴(yán)格，令開發(fā)和制作的成本很高，同時(shí)排氣歧管的設(shè)計(jì)優(yōu)良與否對(duì)整套排氣系統(tǒng)的吸排作用效果有著決定性的影響，從而也對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能發(fā)揮有著一定程度的影響。本文以常見的四缸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管為分析對(duì)象，排氣管采用兩根排氣歧管先匯總成一根管，再與另外兩歧管匯總成一根管匯總成一條排氣管的四出二出一的設(shè)計(jì)，有利于低速時(shí)的扭力輸出，較適合日常行車只用。

2　排氣歧管仿真分析

2.1創(chuàng)建流體分析計(jì)算域

在UG建模環(huán)境下，建立如圖1的歧管模型。然后通過抽取體和刪除面命令，最終得出流體分析的計(jì)算域，如圖2所示。

圖1　排氣歧管

圖2　流體分析計(jì)算域

2.2創(chuàng)建有限元模型

進(jìn)入U(xiǎn)G的高級(jí)仿真環(huán)境，在新建FEM命令，選擇NXThermal/ Flow模板，在分析類型中選擇流，即可進(jìn)入創(chuàng)建有限元模型的環(huán)境。

2.3指派材料屬性及劃分網(wǎng)格

給計(jì)算流域指派材料為air，密度：1.207e-009kg/mm3，動(dòng)力粘度：1.85e-008，摩爾質(zhì)量：0.02897kg，氣體常數(shù)：2.87e+008microJ/kgK。創(chuàng)建3D網(wǎng)格收集器：Solid(1)。對(duì)計(jì)算流域創(chuàng)建3D四面體10節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格，單元格系統(tǒng)自動(dòng)指派大小為11.7mm。對(duì)于運(yùn)動(dòng)情況較復(fù)雜的流體，如果運(yùn)動(dòng)較為紊亂，則流體與壁面接觸區(qū)域必須要比較精細(xì)，一則是為了分析的精確性；二則為了后處理的需要。所以手動(dòng)指派網(wǎng)格大小為5mm，對(duì)網(wǎng)格精細(xì)劃分，以提高解算的精度。并勾選自動(dòng)修復(fù)有故障的單元選項(xiàng)，網(wǎng)格收集器手動(dòng)選擇為Solid(1)，然后其他選項(xiàng)保存默認(rèn)。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，網(wǎng)格類型：3D，網(wǎng)格中的單元數(shù)：95808，網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)數(shù)：149508，網(wǎng)格方法信息ElementType：TET10。對(duì)有限元模型網(wǎng)格劃分進(jìn)行檢查，結(jié)果：0個(gè)失敗，0個(gè)警告，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量很高，符合要求。

2.4創(chuàng)建仿真模型與解算方案

在仿真導(dǎo)航器中，右擊fem文件節(jié)點(diǎn)的，新建sim仿真文件，在模板列表中選擇NXThermal/Flow，默認(rèn)其他的選項(xiàng)設(shè)置。在解算方案欄下保持求解器為NXThermal/Flow，分析類型選擇流，解算方案類型選擇高級(jí)流，用連續(xù)求解器求解，湍流類型設(shè)置為混合長(zhǎng)度，解算方案類型為穩(wěn)態(tài)分析。在條件環(huán)境標(biāo)簽下，把重力方向設(shè)置為Z軸負(fù)方向，保持其他選擇不變。

2.5施加邊界條件和約束

選擇仿真導(dǎo)航器里面選擇sim節(jié)點(diǎn)作為工作部件，在流邊界條件對(duì)話框里，設(shè)置歧管的4進(jìn)口及旁路進(jìn)口類型為入口流，模式為速度，表達(dá)式為1000mm/s，外部條件為環(huán)境光。然后，選擇總管大出口面，設(shè)置其類型為開口，其他保持默認(rèn)設(shè)置。

2.6方案求解及后處理

對(duì)方案進(jìn)行求解，得到速度云圖，如圖4所示，由速度云圖可知，流速最大值為2198.258mm/s，單元編號(hào)為142999，最大流速出現(xiàn)在旁路排氣管的轉(zhuǎn)折內(nèi)圓角處，且旁路管進(jìn)口部位附近流速都比其他部位大，在此處氣體流動(dòng)局部損失會(huì)比較大，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低流速，把動(dòng)壓轉(zhuǎn)變成靜壓，減少流動(dòng)阻力損失；流速最小值為14.859mm/s，單元編號(hào)為148484，最小流速位于總管出口處。四個(gè)主排氣管流速數(shù)值分布比較接近，說明設(shè)計(jì)合理。利用結(jié)果測(cè)量命令對(duì)流速、壓力進(jìn)行提取，結(jié)果如表1。

圖3　網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4　速度云圖

表1　流速、壓力測(cè)量結(jié)果

3　結(jié)語

通過對(duì)排氣歧管抽取計(jì)算流域，建立有限元模型施加邊界條件等前處理，求解和分析等后處理，得出了流動(dòng)的速度云圖，分析了排氣歧管速度的大小分布，同時(shí)也給出了靜壓力和總壓力的平均值和最大值，以及最大值的單元格編號(hào)。為排氣歧管的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡仁喜,康士廷.UG NX8.5動(dòng)力學(xué)與有限元分析從入門到精通[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[2]沈春根,王貴成,王樹林.UG NX7.0有限元分析從入門與實(shí)例精講[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3]劉婕.流體機(jī)械[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2012.

作者簡(jiǎn)介：朱紅波（1981-），男，本科 ，主要從事：機(jī)械方面教學(xué)及研究。