乘用车排气系统内流场分析毕业论文管理资料.docx

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乘用车排气系统内流场分析毕业论文管理资料

毕业设计说明书（论文）

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

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），。

：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

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

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，，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。

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。

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

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。

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。

Solidworks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。

FlowSimulation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：

solidworks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

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。

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。

：

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

FlowSimulation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，：

（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