基于流固耦合的某发动机排气歧管瞬态换热分析

摘要

车辆发动机排气歧管作为排气系统的重要部件，直接与发动机气缸相连。高温废气直接接触排气歧管内壁面，产生较大的温度梯度与热应力。排气歧管的工作性能会对发动机性能产生很大的影响，甚至对于车辆的正常行驶也会有很大影响。发动机排气歧管的热力学性能和流动性能直接影响着发动机的经济性、动力性和排放特性，因此对其研究的需求日益提高。若其工作过程中在热载荷与热应力的作用下引起漏气或裂纹等问题，会影响发动机工作的状态和效率，因此对排气歧管进行温度场和热应力热应变的计算分析研究是至关重要的。目前多数研究均采用稳态的方法进行计算，瞬态分析的理论知识较少，且分析误差较大。　　本文研究的模型为某汽油发动机4-1式排气歧管，基于计算流体力学的理论，建立瞬态流固耦合传热模型。首先利用GT-POWER软件对该发动机进行一维建模，并对于该模型进行了误差验证。其中转矩的仿真结果与实验结果对比误差在2.67%；功率的仿真结果与实验结果对比误差在3.5%。将其与STAR-CCM+软件实现耦合，将进气温度与质量流量作为CFD计算的边界条件，解决了瞬态分析中设定动态边界条件的难题。　　采用瞬态模拟探究发动机排气不同时刻排气歧管内部气体流动状态，稳态各缸压损不均匀度以及出口端流速分布等性能。研究表明，1缸排气时4缸回流明显，2、3缸几乎无回流气体；各缸压损不均匀度为11.5%、19.4%、4.8%和10.2%，出口端面的气流速度较为均匀。对排气歧管进行瞬态流固耦合换热计算，并探究排气歧管内外壁面温度的分布趋势。为了验证网格数量的合理性，做了网格无关性的验证，结果表明112万的网格数量满足要求。研究了散热对排气歧管热温度场的影响，结果表明节点温度值与外壁面换热系数程负相关的趋势，且最高温度下降的幅度比最低温度下降的幅度小，因此判断散热对于温度场的影响作用显著。　　针对瞬态温度场下的热应力、热变形进行计算，并对于原始模型进行了改进。对排气歧管的热疲劳寿命进行了估算，并给出了一般的定性分析。结果表明，排气歧管出口端与法兰盘连接处热应力最高，但不会因为较大热应力集中而发生开裂失效。改进模型的热应力、热变形量相比于原始模型均有所减小，疲劳寿命有所增加。其中最大热应力减小了21MPa，降幅为8.5%；最大热应变减小了0.07mm，占4%，疲劳寿命提高了约1100次。　　本研究通过一整套的流程对于排气歧管进行了全方面的分析，为排气歧管的设计与改进提供了有效方法，具有一定的参考意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 应用软件介绍

1.3.1 GT-POWER软件简介

1.3.2 STAR-CCM+软件介绍

1.4 本文的主要研究内容

2 流固耦合传热及热应力分析理论

2.1 GT-POWER模拟计算理论

2.2 计算流体力学基础理论

2.2.1 流体及传热基本控制方程

2.2.2 湍流的数学模拟方法

2.2.3 热量传递的基本方程

2.3 热应力分析理论

2.4 本章小结

3 发动机一维仿真

3.1 发动机模型的建立

3.2 参数设置

3.3 模型误差验证

3.4 一维模型计算结果分析

3.5 本章小结

4 排气歧管流固耦合换热及流场分析

4.1 瞬态流固耦合计算模型建立

4.1.1 区域及网格划分

4.1.2 计算模型选取及边界条件设置

4.2 排气歧管瞬态计算结果分析

4.2.1 排气歧管瞬态内流场分析

4.2.2 稳态排气背压分析

4.2.3 排气歧管温度场分析

4.2.4 网格无关性验证

4.3 不同换热系数对温度场的影响研究

4.4 本章小结

5 热应力应变分析及改进后疲劳寿命预测

5.1 排气歧管热应力应变分析

5.1.1 有限元热应力分析

5.1.2 材料属性及边界条件设置

5.1.3 热应力分析

5.1.4 热变形分析

5.2 改进模型与原模型对比分析

5.2.1 改进方案

5.2.2 计算结果对比分析

5.3 排气歧管热疲劳分析

5.3.1 热疲劳的定义与分类

5.3.2 低周热疲劳理论

5.3.3 排气歧管低周热疲劳寿命预测

5.3.4 排气歧管热疲劳寿命计算结果

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果