乘用车排气系统内流场分析毕业论文.docx
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乘用车排气系统内流场分析毕业论文
乘用车排气系统内流场分析毕业论文
河北工业大学
毕业设计说明书（论文）
作者：
耿玉伟学号：
100259
学院：
机械工程学院
系（专业）：
车辆工程
题目：
乘用车排气系统内流场分析
指导者：
刘璇讲师
（姓名）（专业技术职务）
评阅者：
（姓名）（专业技术职务）
2014年5月24日
毕业设计（论文）中文摘要
题目乘用车排气系统内流场分析
摘要:
汽车的销量随着人们生活水平的不断提高,以及当前工业化发展不断进步而迅速增长。
但是越来越多的汽车给社会带来很多问题，如空气污染问题、噪声污染问题、能源消耗问题等等。
汽车排气系统，是汽车上非常重要的部位，不仅能控制尾气污染,还会可以降低排气噪声，而且对汽车动力性和经济性都会产生影响,所以它的设计好坏至关重要。
传统的设计方法既浪费时间又得不到什么较好的结果,而且理论分析方法计算对象太过于抽象化和简化，有时也是非常难甚至不会得到解析解，但是CFD克服了这些弱点，在排气系统的优化设计及改进方案中提供了很多可行的方案。
本文在查阅大量资料的基础上论述了排气系统的发展现状。
然后对排气系统内流场进行了建模、模拟计算，并通过对它们流场中的一些数值模拟进行了流体分析，对排气系统的优化设计提出个合理的方案。
关键词：
排气系统；内流场；流体分析
毕业设计（论文）外文摘要
TitleTheflowfieldanalysisofpassengercarexhaustsystem
Abstract:
Carsaleswiththecontinuousimprovementoflivingstandards,aswellasthecurrentindustrializationdevelopmentprogressandrapidgrowth.Butmoreandmorecarsbringmanyproblemstosociety,suchasairpollution,noisepollution,energyconsumptionetc..Automobileexhaustsystem,isaveryimportantpartofthecar,cannotonlycontrolthetailgaspollution,butalsocanreducetheexhaustnoise,butalsowillhaveanimpactonthedynamicperformanceandfueleconomy,soitiscrucialtoitsdesignquality.Thetraditionaldesignmethodisnotonlyawasteoftimeandnotwhatgoodresults,andthetheoreticalanalysismethodtocalculatetheobjectistooabstractandsimplified,andsometimesverydifficultwillnotevengetanalyticsolution,butCFDovercometheseweaknesses,intheimprovedschemeandoptimizethedesignoftheexhaustsystemprovidesmanyfeasibleschemes.
Wefirstbrieflyintroducethedevelopmentstatusofautomobileexhaustsystem,andthenintroducestheapplicationandtheSolidworkssoftware.Thentheflowfieldintheexhaustsystemofcomputationalmodeling,simulation,andthroughtheanalysisofsomenumericalfluidflowsimulationinthem,putforwardareasonableproposaltooptimizethedesignoftheexhaustsystem.
Keywords:
theexhaustpipe;Theflowfield;Fluidanalysis
1绪论
1.1课题背景
随着我国人均生活水平不断提高和工业的迅猛发展，当今时代汽车已经成6为人们出门必备的交通工具。
据统计，截至2014年我国汽车保有量为1.37亿辆，但是作为汽车主要能源供应，大家都知道，石油现在的储量并不能满足我们当前的需求，并且在逐渐减少，而且燃油的价格也是越来越高。
汽车的噪声污染也成为了环境污染的最大污染源之一，为人们的生活带来了很多不利。
汽车排气系统是汽车上非常重要的组成部分，它在汽车上的作用是把产生的废气排出，在排气的过程中对废气进行净化、消声和降噪处理，它的性能的好坏对汽车的排气、噪声、动力性能以及油耗都有较大的影响。
但是随着现代发动机的不断发展与进步，我们需要更好的排气管材料和更好的技术工艺。
二十一世纪以来，随着计算机行业的不断发展，计算机模拟技术方面取得了非常大的发展，可以利用计算机对试验方法进行模拟计算，替代了原有的实验方法，弥补了之前的不足之处。
1.2国内外发展状况
计算流体动力学（CFD，简称CFD）在经典流体力学和数值模拟的方法，计算机仿真和图形显示，流体流动和传热的物理现象有关的系统分析。
它是流体及其应用的学科机械运动。
在各种力的作用下主要研究，自己的流体状态，力学和流体与固体壁之间的相互作用的分支，流体和流体的流体运动，和其他形式的。
CFD方法可以克服的理论分析方法和实验测量的缺点，实现一个或多个特定计算的计算机上，喜欢在电脑上工作，物理实验。
在本世纪下半叶，测试技术的数值实验，计算方法和分析方法的研究进展，对各种非线性渗流力学和其它物理方面的流动，发展现状-化学耦合作用是丰富多彩的。
在实验方面，建立了适用于不同马赫数的研究，典型的流风洞的雷诺兹数范围，一个吉博管，弹道目标和水箱，水隧道，转盘和其它测试设备，激光技术的发展，处理和分析成为可能，创造新的现象的条件和验证新的理论。
流体力学的计算的快速发展。
有限差分，有限元，有限元分析，光谱法和辛算法；建立一个完整的理论体系，即稳定性理论，分析，和网格生成和自适应技术，扩散的数值耗散和加速迭代法的收敛性；提出了混合方法和各种各样的拉格朗日-欧拉求解一个自由边界问题复杂流场的计算，包括高精度格式等复杂的冲击。
目前，计算流体力学是流体力学的所有分支不可缺少的工具。
在本世纪的流体力学的一些基本流动现象的研究取得了可喜的进步，下面将当前的湍流，流动稳定性研究现状，混沌，非线性波，涡旋运动，流程复杂，多相流和非平衡流域。
1.3课题主要研究内容
本文通过利用UG对排气系统的模型建立，运用FlowSimulation软件对其流场进行模拟分析，步骤如下：
1.确定乘用车上排气系统的模型，运用UG软件对排气系统进行初步建模，并运用流体分析软件对排气系统整体内流场的工作情况进行分析研究，得到排气系统内流场的分布状况，根据得到的相应数据，对排气系统的性能作出评价；
2.根据排气系统在现实状况中的外界以及内部条件，在运用软件分析内流场时，根据相应的条件，设定初始条件根据给定的条件分析出来的结果，来判定排气系统设计的最佳方案；
3.简单介绍CFD的理论，并简述了计算CFD中常用的几种湍流模型，最后介绍了多孔介质模型的一些处理方法。
4.通过给定的条件，和设定的边界条件完成排气系统内部流场的分析，根据得到的结果不断改进排气系统的结构，进行优化设计。
2流体力学及流场分析软件的介绍
2.1概述
流体力学的连续介质力学的一个分支，是研究流体（包括气体和液体）及相关力学行为的科学。
根据对运动物体的研究可以分为静力和动力，也可以按应用范围分为水力学，空气动力学等。
流体力学的基本方程是纳维-斯托克斯方程，Navier-Stokes方程。
它包含的速度，压力，密度，粘度，P和T的变量，如温度，这些位置（x，y，z）函数和时间
流动模拟是第一个完全建立在SolidWorks软件在热流体仿真分析模块，操作简单，使用方便。
流动模拟不需要另一个计算流体动力学（CFD）来修改你的设计中的应用，从而节省了时间和成本的相当大的。
利用CFD分析功能，可以模拟液体和气体流量，操作条件的实际情况，和组件或周围的流体渗透零件的快速分析，传热和相关的力。
2.2流体力学及应用现状
（1）流体力学的发展
在第十七世纪，牛顿流体阻力的研究在移动体力学的创始人，阻力是与流体的密度、物体迎流截面积以及运动速度平方成正比关系。
他在粘性流体运动的内部摩擦是牛顿粘性定律提出了。
然而，牛顿尚未建立流体动力学理论基础上，他提出了许多的力学模型及结论与实际情况是不同的。
在那之后，法国被用来测量皮托管测速；戴伦Bell在电阻的运河船的许多实验，证实与物体的速度阻力之间的关系；瑞士的欧拉采用连续介质的概念，静压力的概念应用于流体的运动，欧拉方程，通过在非粘性流体运动微分方程的正确描述；伯努利从经典力学的水节能，供水管道流动，精心安排的实验和分析，流体的速度，关系的管道压力，高度下的运动——伯努利方程。
这些伟大的进步是研究方法和使用不同的数学分析方法，建立实验设备和大型，精密仪器，分不开的。
50年代以来，计算机的不断提高，使分析的方法研究了原始的利用，可以采用数值计算的方法进行的，在这个新的分支计算流体动力学。
同时，由于民事和军事生产，流体力学等学科也取得了很大的进步。
（2）流体力学应用现状
从80年代初期开始才有CFD应用于汽车领域，在这几年之间，其应用已涉及到汽车车身设计、汽车内部空间的空调、发动机内部的气体流动以及冷却系、汽车液力变矩器、废气涡轮增压器中的压气机和涡轮的叶轮与蜗壳等中的流动现象的研究与计算，同时进一步发展到研究汽车与发动机中传热、燃烧以及预测噪声强度与模具设计等相关的问题。
排气系统是汽车发动机的关键部件之一，其优劣影响到汽车的经济性、动力性和有害物排放的水平。
近年来更多的汽车采用了四气门技术及可变技术，柴油机也向直喷式燃烧室发展，这就使得相应的气道设计日趋复杂化。
运用CFD方法对排气系统内流体流动进行模拟计算，可以获得排气系统内压力、流速、流场分布以及温度场等的分布规律，并建立排气系统的形状与其特性的关系，为设计与改进提供依据。
2.3Solidworks软件的应用范围
SolidWorks2010一些提供的新功能可以提高设计师和工程师的工作效率。
例如，快速的大小是申请专利标记功能，可以显示新的大小放置的替代品，和现有的尺寸甚至重新排列，从而为选定的空间大小。
配置发布。
用户可以方便地发布到三维contentcentral®服务接口，可以很容易地配置替代模型。
正在申请专利的智能鼠标手势的手部动作的简化了前所未有的改善。
SolidWorks2010还提供了参考平面大大加强的创作方法，钣金，焊接性能，功能组件镜像和直接编辑工具。
PhotoView360的使用，初学者也可以设计的照片图像渲染效果如大师。
1.SolidWorks拥有功能齐全的实体建模功能。
通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。
2.通过对特征和草图的不断修复，用拖拽的方式实现实时的设计优化。
3.三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。
2.4FlowSimulation软件简介
FlowSimulation软件是一款功能强大的计算流体力学（CFD）工具，可以轻松快捷地仿真对于成功的设计至关重要的液体流动、传热和流体作用力。
下图为Solidworks软件中FlowSimulation应用部分：
图2.1solidworks软件
SolidworksFlowSimulation为无缝嵌入solidworks中的流体仿真软件，是一种新的工具的革命产生的流体动力学分析。
该软件采用新技术，特别是与流体啮合，设计工程师与热相关的产品开发提供了有力武器。
将复杂的计算流体动力学。
你可以很快的和容易的模拟液体流动，传热和流体动力设计成功的关键。
流体和气体流动模拟的实际条件，运行“假设”，并影响侵袭性零件的快速分析及部分对流体流动，传热和相关的力。
可以比较的设计方法做出更好的决策，从而获得性能优良的产品。
模型的具体专业可以简化分析暖通空调和电动冷却。
3排气系统理论基础
3.1汽车排气系统的基本要求
（1）应该满足发动机的排气要求，如排气背压、功率损失等因素；
（2）排气系统中的零部件不可以承担由于重量、惯性力、元件的相对运动或由于过热膨胀产生的形状改变而引起过大应力；
（3）排气系统必须能够阻止外界的异物,如其他液体、垃圾等通过排气系统进入发动机或增压器；
（4）排出的废气必须扩散到汽车进排气系统以外，以免对发动机合适的工作环境和正常运转产生不良影响；
（5）排气系统内流体产生的噪声必须降低到符合相关法规的要求。
3.2排气系统的组成
排气系统由排气歧管、前管、催化转化器、中心管、主消音器和尾管等零部件构成。
根据车种的不同，有的安装了数个催化转化器，有的安装了副消音器。
下图3.1为排气系统的基本结构：
图3.1排气系统组成
3.3排气系统各个组成的功用
（1）排气歧管，又叫排气支管，是发动机的一个重要组件，它的设计是一项专业化的工作。
发动机在工作过程中所产生的废气通过排气歧管进入排气管。
（2）催化反应器---为了减少汽车排出的废气对空气的污染排气净化系统。
将汽车发动机缸内燃烧产生的CO、HC和NOx等有害气体通过氧化还原反应转化为无害的CO2、H2O和N2等气体的过程。
三元催化器的载体部件是一块多孔陶瓷材料，安装在特制的排气管当中，通过废气流经管内的多孔介质，对其进行废气处理。
（3）消声器：
排气系统上的消声器既可以让气流通过，又可以消除或者降低排气系统内噪声噪声的装置，是控制气流噪声的主要装置。
合理的消声器设计，可以在其正常的工作环境下，有效的降低噪声污染，降低阻力损失。
（4）排气尾管：
保证排出的尾气，不至于吹到车身上，也不能使排出的尾气被吸进空气滤清器，影响发动机的工况。
4排气系统内流场的模拟计算
4.1FlowSimulation软件求解过程
（1）整体设计流程
不管是流动、传热、污染的移动、稳态问题，还是瞬息问题，此类的求解过程均可以用图4.1所示的过程来求解：
图4.1整体设计流程
（2）确立控制方程
对于理论分析,采用守恒或非守恒变量,守恒方程或非守恒方程,通常没有本质的区别,但是离散的数值计算中,守恒型与非守恒型引起的差别会很大,尤其是求解含激波等弱解问题时。
因此方程的守恒性，是计算流体力学中需要重点注意的问题。
排气系统内的废气属于流体，所以应该遵循基本的守恒定律。
但是如果排气系统内的废气的流体处于湍流状态时，我们还要添加湍流的运行方程。
（3）边界条件的设定与初始条件的确立
边界条件与初始条件是控制方程有确定解的前提。
边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随时间和地点的变化规律。
对于任何问题，都需要给定边界条件。
初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，对于瞬态问题，必须给定初始条件，稳态问题，则不用给定。
对于边界条件与初始条件的处理，直接影响计算结果的精度。
在稳态问题中，初始条件影响结果收敛的速度，而边界条件控制流动形式。
在瞬态（非稳态）问题中，随时间变化的流动形式收到边界条件和初始条件的影响。
在瞬态问题中，除了要在计算开始之前初始化相关的数据外，不需要其他特殊处理。
给定初始条件时要注意的是：
要针对所有计算变量，给定整个计算域内各单元的初始条件；初始条件一定是物理上合理的，要靠经验或实测结果。
在流动分布的详细信息未知，但边界的压力值已知的情况下，使用恒压边界条件。
应用该边界条件的典型问题包括：
物体外部绕流，自由表面流，自然通风及燃烧等浮力驱动流和有多个出口的内部流动。
针对任何问题，都需要设定边界条件。
例如，在椎管内的流动，在椎管进口断面上，我们可给定速度、压力沿半径方向的分布，而在管壁上，对速度取无滑移边界。
边界条件与初始条件的设定，直接影响了最后计算结果的准确性。
（4）网格模型
流动和传热问题的数值计算的第一步是生成网格，以连续计算面积的空间划分，将其划分为多个子区域，并确定各区域的节点。
流动与传热工程中遇到的问题主要发生在复杂的地区，因此不规则区域的网格计算和计算是一个重要的研究领域，在流体力学和传热。
事实上，准确的流动与传热的数值计算问题的最终结果的计算效率，方法主要依赖于所产生的网格和。
现有的各种网格生成方法在一定条件下有其优势和弱点，各种流体场计算的算法也有它的适用范围。
一个成功的和有效的数值计算，仅实现及两网格算法流场计算的一代之间的良好匹配。
由于对物理空间的许多物理规律的变化来计算空间，相应的数学表达式应该改变，并在计算平面计算完成，不是简单的在计算平面应用规则和公式对数据处理的物理平面。
此外，有时与时移的计算网格，控制体体积随时间的变化，并确保质量满足守恒定律，应使数值计算能满足“空间”的保护法。
在结构化网格，每个节点的几何信息和控制体积必须被存储，但节点间的邻居关系是基于网格数规则自动产生的，因此不需要存储这些信息，这是结构化网格的一大优势。
然而，当计算域是复杂的，即使不规则网格生成技术的应用是很难妥善处理解决区域，复合网格的才能，也被称为分块结构化网格。
在该方法中，整个溶液域分成几块，结构化网格中使用的每一个块，块与块之间可以并行。
即使两块与一个共同的边缘连接的，也可以是部分重叠。
该网格生成方法的优点是结构网格。
同时，不需要网格线在整个计算域，带来了很多方便处理不规则的区域，是目前广泛使用的。
（5）建立离散方程
由于节点分布的方法和离散化方程，导出了不同变量之间的假设，从而形成了一种离散化方法，有限差分法，有限元法和有限体积法和其他不同类型的。
在离散方法中，中间的有限体积法可以作为有限元法和有限差分法。
有限元法必须假定变化的网格节点之间（即插值函数），近似解。
有限差分法只考虑数值网格点不考虑在网格中的节点的值的变化。
节点的有限体积法只追求的价值，和有限差分方法类似；但有限体积法在控制体积的积分，必须假定值分布在网格点之间，这与有限元方法类似于。
在有限体积法，插值函数是用来计算控制体积分，离散方程，可以忘记插值函数；如有必要，采取不同的微分方程的插值函数。
（6）离散初始条件和边界条件
前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的，如在静止壁面上速度为0，现在需要针对所生成的网格，将连续型的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值，如静止壁面上共有90个节点，则这些节点上的速度值应均设为O。
这样，连同所建立的离散的控制方程，才能对方程组进行求解。
（7）给定求解控制参数
在离散空间上建立了离散化的代数方程组，并施加离散化的初始条件和边界条件后还需要给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数。
此外，还要给定迭代计算的控制精度、瞬态问题的时间步长和输出频率等。
（8）求解离散方程
在对控制方程进行离散后形成的代数方程组的求解是对物理过程进行数值模拟的最后一个重要的环节。
代数方程的求解可以分成直接解法（directmethod）及迭代法（iterativemethod）两大类。
进行了上述设定以后，产生的具有定解条件的代数方程组。
在传统商用软件中，提供了很多不同的方法，来适应不同种类的问题、
（9）判断解的收散性
对于稳态问题的解，或是瞬态问题在某个特定时间步上的解，往往要通过多次迭代才能得到。
有时，因网格形式或网格大小、对流项的离散插值格式等原因，可能导致解的发散。
对于瞬态问题，若采用显式格式进行时间域上的积分，当时间步长过大时；也可能造成解的振荡或发散。
因此，在迭代过程中，要对解的收敛性随时进行监视，井在系统达到指定精度后，结束迭代过程。
这部分内容属于经验性的，需要针对不同情况进行分析。
（10）显示和输出计算结果
通过以上求解过程得出了每个计算节点上的解后，我们需要通过合适的方法将整个计算域上的结果表示出来。
这时，我们可采用线值图、矢量图、等值线图、流线图、云图等方式把计算结果表示出来。
所谓线值图，是指在二维或二维空间上，将横坐标取为空间长度或时间历程，将纵坐标取为某一物理量，然后用光滑曲线或曲面在坐标系内绘制出某一物理量沿空间或时间的变化情况。
矢量图是直接给出二维或三维空间里矢量（如速度）的方向及大小，一般用不同颜色和长度的箭头表示速度矢量。
矢量图可以比较容易地让用户发现其中存在的漩涡区。
等值线图是用不同颜色的线条表示相等物理量（如温度）的一条线。
流线图是用不同颜色线条表示质点运动轨迹。
云图是使用渲染的方式，将流场某个截面上的物理量（如压力或温度）用连续变化的颜色块表示其分布。
4.2建立排气系统模型
（1）物理模型
首先对所研究的实际问题作出一定简化假设.以确定其物理模型,例如,当物理过程中流体的物性变化比不大时可作常物性的假设;物理量的某一方向上变化相对于其它两个方向很小时可作二维的假定,等等.
图4.2排气系统建模
（2）数学模型
根据所确定的物理模型写出该过程的控制方程及相应的定解条件（初始条件及边界条件）是其数学模型。
在建立数学模型前应考虑的诸多因素：
①整个排气系统的密封行正常,除了出口和入口处没有任何漏气地方;
②流动形态：
层流或湍流。
对于湍流，要选定响应的湍流模型，排气系统内的空气流动是紊流流动。
③边界条件是常规的1、2、3类边界条件，还是耦合的边界条件。
4.3求解域
（1）求解域的生成
将在UG里建立好的几何模型，通过Solidworks软件通过*prt格式打开，在FlowSimulation模块中生成计算域并对其划分出计算网格。
FlowSimulation可以通过打开不同格式文件打开UG创建的模型和网格，但不同软件之间的接口并不是一模一样的，有时会导致输入到FlowSimulation中的模型与原模型不一致，且各种格式的文件输入后完好程度不一。
通过FlowSimulation中CheckGeometry检查整体模型，并对其加以修正，可正常使用并对其进行模拟分析。
最后把输出的文件导入到FlowSimulation中，进行布尔运算操作，最后可得到生成的计算域。
（2）确定计算条件
Flowsimulation软件可以自动对模型进行网格的划分，接下来我们只要设定好网格计算的各个条件即可。
如下图4.3进行设置向导：
点击快捷键wizard
图4.3设置向导的选择
4.4利用Solidworks软件进行模拟计算
（1）定义边界条件
1.如图4-4，在Flowsimulation展开分析树,右击BoundaryCondition（边界条件）图标并选择InsertBoundaryCondition（插入边界条件）。
图4.4选择InsertBounda
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