排气歧管高温低周疲劳分析与流场分析

摘要

排气歧管是发动机排气系统的重要组成部分，它的热力学性能和气体流动性能直接影响发动机的动力性、经济性和排放性。排气歧管的工作条件恶劣，运行工况复杂，承受交变热载荷以及由交变热载荷产生的循环热应力，这些交变热应力很容易使排气歧管发生疲劳破坏，严重地影响发动机排气系统的稳定性和可靠性。因此，对排气歧管展开热疲劳分析和流场分析，为排气歧管的设计、优化、改进提供理论支持，有一定的实际意义和工程意义。
　　 本文首先利用Pro/E软件建立了排气歧管模型和排气道模型，运用计算流体力学软件Fluent，采用RNGk-ε湍流模型对排气道进行流场数值模拟分析，得到了排气道各区域的流速，换算出排气歧管内表面换热系数。
　　 基于ANSYS有限元分析软件对发动机启动、稳定运行、停机、一个启停循环四个工况下的排气歧管进行了热分析，分析结果表明：排气歧管的温度分布不均匀，热流方向由里向外传递，温度变化趋势由进气口到排气口逐渐升高，最高温度出现在两排气口交汇区域。根据热分析得到的结果，对排气歧管进行了热/结构耦合分析，得到了热应力、应变和变形分布云图，找到了排气歧管危险区域出现在排气法兰盘左上角螺栓孔处，没有出现在温度最高的区域，并对其原因进行了讨论；同时对排气歧管危险点一个启停循环工况作了瞬态热应力分析，得到了热疲劳分析所需的载荷一时间历程。在热/结构分析结果的基础上，利用Manson-Coffin公式和FE-SAFE疲劳分析软件对排气歧管进行了热疲劳寿命计算和分析，为排气歧管的设计、优化和改进提供参考，有一定的工程意义和经济意义。
　　 根据排气道流场数值模拟结果，对排气道进行了改进，并对改进前后分析结果进行对比，结果表明：改进后的排气道气流紊乱、低速、回流现象消失，排气均匀顺畅，出口流速提高了17％以上，提高了排气歧管的流通性，为排气道的设计提供了参考。