基于流固耦合方法的发动机排气歧管结构优化

摘要

排气歧管是发动机排气系统非常重要的一部分，它对热负荷和热应力的承受能力决定了发动机的可靠性；排气歧管内的流动状态，则影响了发动机的扫气性能、残余废气系数和泵气功等性能。在涡轮增压柴油机中，排气歧管有着更高的要求，它不仅需要承受着更高的热负荷，还对脉冲能量的利用，涡轮的实际效率产生较大影响，进而影响着发动机的瞬态进气能力。因此，进行排气歧管的内部瞬态流场，以及固体温度分布的研究分析，对提高排气歧管工作效率及使用寿命有着重要的指导意义。
　　首先，本文在实验测量和一维数值模拟的基础上，进行了某重型柴油机的排气歧管内瞬态流动的数值模拟。为了确保排气歧管内瞬态流动的正确性，本文根据该发动机的结构参数和运行参数，通过一维工作过程模拟软件GT-POWER进行了该发动机的工作过程数值模拟，得到排气歧管的瞬态流动边界。通过排气歧管瞬态内流场的计算，分析了不同时刻下排气歧管内部气体流动情况。尤其是各缸排气时的流动顺畅性和耗散情况，以及各缸排气对其它缸排气的影响。同时，分析了该排气歧管对涡轮进口流速的均匀性。
　　其次，本文进行了排气歧管本体--排气歧管内部流动的流固耦合数值模拟。为了得到精确的排气歧管温度，本文先进行了排气歧管的外部流动数值模拟，通过外流场数值模拟，可以得到准确的排气歧管外表面附近的对流换热系数。
　　然后，进行了排气歧管的流固耦合数值模拟。利用排气歧管内部流动与固体温度的流固耦合模拟，可以把单独流场模拟或者单独固体场模拟中较难精确给出的对流换热系数和内部温度边界转化为流固耦合模拟的内部边界。通过流固耦合数值模拟，可以得到精确度较高的流固换热，从而得到精确度较高的流体温度场和固体温度场，并为排气歧管的热负荷优化提供了意见。
　　最后，本文基于排气歧管内瞬态流动特点和排气歧管固体温度场，进行了该排气歧管的结构优化。

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1 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

2 排气歧管计算理论基础

2.1 基本控制方程

2.2 流固耦合传热理论

2.3 相关分析软件介绍

2.4 本章小结

3 排气歧管内部流动的瞬态数值模拟

3.1 内部流场数值模拟的边界确定

3.2 排气歧管内部流动计算模型建立

3.3 排气歧管内部瞬态流场结果分析

3.4 本章小结

4 排气歧管流固耦合数值模拟

4.1 流固耦合模拟流程

4.2 流固耦合三维网格模型的建立

4.3 流固耦合数值模拟边界条件和初始条件的确定

4.4 排气歧管内部流场的流动及传热分析

4.5 排气歧管本体热负荷结果分析

4.6 本章小结

5 基于流固耦合的排气歧管内部结构改进与分析

5.1 排气歧管内流场改进方案

5.2 改进方案瞬态内流场计算结果分析

5.3 改进方案流固耦合结果分析

5.4 本章小结

6 全文工作总结与展望

6.1 工作总结

6.2 工作展望

致谢

参考文献