发动机排气歧管三维建模及流通特性分析汇总.docx
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发动机排气歧管三维建模及流通特性分析汇总
发动机排气歧管三维建模及流通特性分析
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摘要
随着汽车市场日益壮大，人们的购车理念也愈加成熟，对于汽车的各项性能指标越来越重视，尤其是汽车的动力性和经济性。
作为汽车最重要的部件发动机，其性能的优劣将对汽车动力性能和经济性能产生决定性的影响。
而作为发动机重要零部件之一的排气歧管，它的气体流通性能也会对整机的输出功率和循环热效率产生显著影响。
为了分析某型发动机排气歧管的气体流通特性，这里采用有限元分析法，利用CFD软件fluent对排气歧管气体模型进行仿真，从而估测实际流体在排气歧管内的流动状态，并以此来判断排气歧管的气体流通特性。
结果表明，排气歧管的转弯会对流场均匀性造成影响，但该排气歧管流通性符合要求。
关键词：
排气歧管，气体模型，流通特性，fluent
Three-dimensionalmodelingoftheexhaustmanifoldandthegasflowcharacteristic
Abstract
Nowadays,thecarindustryhasshownamomentousgrowth.Carbuyersbecomemorecautiousandcarefultomakeafinaldecision.Beforetheirpurchase,they’dliketocheckoutthecar’sperformanceaswellasit’severysingleindicator,especiallythepowerandeconomy.It’sknownthatacar’senginecanmakeagreatdifferenceinacar’stotalperformance.Therefore,exhaustmanifold,partofacar’sengine,undoubtedlyhaveitscrucialstakeindeterminingtheengineperformance.Itsgasflowcanexercisearemarkableinfluenceontheengine’soutputpoweranditscyclethermalefficiency.Inthispaper,finiteelementanalysiswasadoptedtoexplorethecharacteristicsofthegasflowintheexhaustmanifold.WithFluent（aCFDsoftware）wecreatedagasmodel,whichsimulatesthesituationsintheexhaustmanifold,toestimatetheactualgasflow.Asaresult,thegasflowintheexhaustmanifoldcanbebetteranalyzedandunderstood.Theresultsshowthat,theturningoftheexhaustmanifoldhasaneffectontheuniformityofgasflow,butthisexhaustmanifoldmeetstherequirementsongasflow.
Keywords:
Exhaustmanifold,gasmodel,flow,fluent
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2国内外研究成果1
1.3本文研究对象及内容2
2背景及概述3
2.1课题背景3
2.2有限元法及计算流体力学（CFD）3
2.2.1概论3
2.2.2CFD求解流体问题的一般过程3
2.3计算流体力学软件fluent概要4
3排气歧管有限元物理模型5
3.1排气歧管几何模型5
3.1.1排气歧管三维模型建立5
3.1.2排气歧管网格划分7
3.2排气歧管材料9
3.3有限元边界条件9
3.3.1发动机实验数据10
3.3.2气体入口处的边界条件11
3.3.3气体出口处的边界条件12
3.3.4壁面边界条件13
3.3.5操作环境设置13
4fluent模拟过程14
4.1控制方程14
4.1.1连续方程14
4.1.2动量方程14
4.1.3能量方程14
4.2湍流模型15
4.3求解方法16
5计算结果及分析17
5.1排气歧管内各支管流场分布17
5.1.1支管1计算结果17
5.1.2支管2计算结果19
5.2结果分析21
5.3结论及结构优化方向21
5.4工作展望22
6致谢23
参考文献24
1绪论
1.1引言
随着计算机技术的迅速发展、计算流体力学的日益成熟，CFD软件已经成为解决各种现实流体问题的重要辅助手段。
在计算流体力学没有发展起来的年代，仅仅依靠传统理论流体力学来解决现实中各种复杂流场问题实现起来非常困难，而有了CFD软件的辅助就容易的多。
而汽车排气歧管内的流场分析是是排气歧管的研究热点之一，其内部流场复杂，并且对于发动机环保性和动力性有着直接的影响，仅依靠传统理论流体力学难以计算其内部速度场、压力场。
然而采用有限体积法、有限差分法、特征线法等方法，通过各种CFD软件，如：
以一维流动为动力学基础的GT-power和BOOST、CFD软件FIRE和FLUENT，对排气歧管内的流场实现起来就容易的多了。
1.2国内外研究成果
在对发动机排气歧管的研究中，国外的学者起步较早，并取得了许多重要的研究成果。
2002年，Kresovic等人通过FLUENT得到了流体分布和热传递的详细信息，并将仿真结果与试验数据相互对比，发现两者有较好的吻合。
2003年，Milanovic则指出排气歧管性能对于发动机整机性能的重要影响，研究了水冷排气歧管应用与汽油、柴油发动机上的可行性，并通过FLUENT对排气歧管进行了流体分析，试验数据也证明了仿真结果的正确性。
Kessler等人在忽略催化转化器中的化学反应的情况下，使用流体分析软件对带有催化转换器的排气歧管结构进行了分析，也得到了合理的流场分布图。
2005年，RanganathanR等人通过大量的各类型试验数据，建立了各参数之间的联系，并根据这种联系成功预测了排气歧管内的温度场的分布情况。
2007年，Park等人针对零排放的汽车四缸发动机，通过理论和实际相结合的方法，研究了紧耦合式排气歧管的流场分布，改善了脉冲气流的均匀性。
2008年，Buckland等人对可变气门正时涡轮增压发动机的排气歧管压力进行了研究，由于传统的降阶线性观测器需要采取太多数据，于是结合简单的提前补偿，采用了新的非线性的静态估计方法。
国内的汽车行业相对而言起步较晚，但是国内众多学者在消化吸收国外的先进技术水平后，也取得了长足的进步和重要的研究成果。
2006年，广西玉柴股份公司的李湘华等人，通过CFD软件分析了柴油机排气歧管的内部流场，并根据计算结果进行优化，使排气歧管模型内腔容积减小，管内部分漩涡消失，流通阻力减小，各缸流量均匀性得到提高。
2010年，郑美茹采用FLUENT对捷达汽车发动机的2V排气歧管进行了流场分析，得到了其内部流场分布图，并观察找出了回流现象发生的部位，对其结构进行优化后有效减少了回流现象。
2011年，黄泽好等人利用ABAQUS软件计算出了带有催化转换器的排气歧管中各单管和催化转换器前端截面的流速分布，并根据结果对排气歧管结构进行优化，改进后的排气歧管在流量均匀性、减小流动阻力、减少涡旋、气流噪音和能量损失方面有着显著的成效。
2013年，刘晓宇利用GT-power和ANASYS对带催化转换器的排气歧管结构进行了振动性能、流动性能和热疲劳的全面分析，得到排气歧管的使用性能和寿命性能，为改善排气歧管的结构设计提供了一种统一而全面的设计方法。
1.3本文研究对象及内容
本文将利用Fluent软件对排气歧管内部速度、压力流场分布的均匀性和流量进行分析。
并根据结果提出对该排气歧管结构的优化方案。
具体内容包括：
1.前期理论学习
（1）查阅国内外对于排气歧管研究的有关论文文献，了解排气歧管研究的主要内容。
（2）学习理论流体力学和计算流体力学方面相关内容，掌握其基本知识。
2仿真模型建立
（1）参考现有排气歧管结构及尺寸，利用UGNX9.0建立排气歧管三维模型。
（2）利用Fluent前处理软件Gambit对排气歧管三维模型划分网格。
（3）设定边界条件及求解器利用Fluent计算排气歧管流场分布。
3分析及优化
（1）对计算结果进行流通性分析。
（2）提出对排气歧管结构的优化方案。
2背景及概述
2.1课题背景
汽车排气歧管是将发动机工作时产生的燃烧后废气从气缸内顺利派出的重要零件，其结构是带有分歧的管路，作用是各歧管与发动机各气缸相连接，引导气缸内热力循环高温废气排出发动机。
发动机工作时气缸内产生的高温废气将先通过排气歧管再流经三元催化器，经催化处理后再排向大气环境。
如果排气歧管内流场不均，将影响三元催化剂的有效催化面积，从而影响三元催化器的效率，环保性得不到满足。
同时，流场不均也会影响氧传感器的检测精度，从而产生测量误差，给ECU输入不精确的信号，从而导致ECU不能将空燃比调节至最佳，影响发动机不能满足各种工况所要求的性能。
流场畅通性不好亦将会增大排气阻力，增大活塞排气压力，增加热力循环负功，从而降低发动机输出功率和循环热效率，影响发动机动力性能和经济性能。
所以发动机的前期设计中，排气歧管的流通特性分析极其重要。
2.2有限元法及计算流体力学（CFD）
2.2.1概论
工程计算中，往往需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，用计算机辅助求解。
而计算流体力学就是将有限元方法应用到流体力学中，通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体问题进行模拟和分析。
目前市场上出现了许多商业CFD软件，对解决各种流体问题提供了重要的辅助。
排气歧管CFD计算过程可以看作是在流体三大基本方程（连续性方程、动量方程、能量方程）控制下对歧管内高温气体流动的数值模拟。
2.2.2CFD求解流体问题的一般过程
（1）建立控制方程
（2）确定边界条件和初始条件
（3）划分计算网格
（4）建立离散方程
（5）离散初始条件和边界条件
（6）给定求解控制参数
（7）求解离散方程
（8）显示计算结果
2.3计算流体力学软件Fluent概要
本文采用的软件是anasys下的fluent模块，Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率达到了60%，它具有非常丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，凡是和流体、热传递和化学反应有关的工业均可使用。
它涵盖的主要领域包括航空航天、汽车设计和石油天然气方面。
Fluent软件包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器，其求解器的数量是同类软件中最多的，多求解器技术使Fluent软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流畅。
同传统CFD计算方法相比，Fluent具有更好的稳定性，计算结果与实验符合较好。
其适用范围广，可应用于从可压缩流到不可压缩流、牛顿流体和非牛顿流体、亚声速到超高声速、单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。
Fluent也有较高的计算精度，可以达到二阶精度。
3排气歧管的有限元物理模型
3.1排气歧管几何模型
有限元分析的第一个步骤是建立所要分析结构的CAD几何模型。
几何模型的建立需参照物体的真实结构，但不是完美地将其复制。
如果将某些对整体分析结果影响不大的结构忽略不计、将模型作适当的几何结构简化，那么便能在保持结果变化不大的情况下，省却许多人力和计算机计算时间。
故本例中将根据某些现有的排气歧管，参考其尺寸并作适当修改，对其结构作适当简化，建立所需的排气歧管气道的几何模型。
3.1.1排气歧管三维模型建立
随着计算机技术的飞速发展，三维CAD软件层出不穷，且功能日益强大。
如今市场上主流的三维建模软件包括Proe、Catia、AutoCad和UG等，其中UG具有较为优秀的机械设计和制图功能，且拥有出色的操作逻辑和人性化的操作界面，故本例中将采用UG9.0来进行排气歧管及其内气道的三维建模。
四缸往复式活塞发动机可以说是如今汽车的主流发动机，本例中也将建立一个四缸发动机的排气歧管气道模型。
四缸发动机中常见的排气歧管结构主要包括4-1式排气歧管和4-2-1式排气歧管（如图3.1和3.2所示）。
4-1式排气歧管是将四根支管直接汇成一个总排气管；4-2-1式排气歧管是分别将两根支管汇总成一根管道，再将汇总后的两根管道再汇总成一起。
经查阅资料，4-1式排气歧管适合高转速时废气脉冲的排除，有利于提高功率；而4-2-1式排气歧管则有利于低转速时的扭矩输出。
图3.1“4-1”式排气歧管
图3.2“4-2-1”式排气歧管
本文中将参考某一现有的发动机4-1结构的排气歧管，对其机构进行适当简化和改变，建立一个4-1排气歧管模型，入口直径为35mm，出口直径为40mm，壁厚1.5mm，承左右对称结构。
如图3.3和3.4所示。
但是在fluent实际计算中，计算域是排气歧管中的流体，流体在排气歧管中流动的形状就是排气歧管内部的气道形状，所以必须再建立该排气歧管的气道模型用来对其流通性进行仿真计算，如图3.5所示。
图3.3排气歧管三维模型
图3.4排气歧管三维模型
图3.5排气歧管气道模型
3.1.2排气歧管网格划分
众所周知，网格划分是CFD的前处理过程，高质量的网格划分对计算结果的精度有着重大的影响。
Gambit是CFD常用的前处理器，其生成的网格文件可以导入进polyflow、fluent、fidap等主流CFD软件中。
本文也将采用Gambit对排气歧管模型进行网格划分。
网格的划分有结构化网格划分和非结构化的网格划分。
结构化网格有着规则的拓扑结构，从生成速度和后续的计算速度上来说有着明显的优势，但是对于复杂几何外形划分网格要耗费大量人工，且划分难度较大，自动化程度不高，因此非结构化网格逐渐发展起来。
故本文中将采用非结构化网格自动划分。
在Gambit中，只有map和submap生产的是结构化网格，其余方法生成的均为非结构化网格。
Gambit可以对模型进行六面体、四面体的网格划分。
六面体网格一般比四面体网格有着较高的质量，同样的体积下有着较少的数量，计算时间也相对较短，但是对于复杂的结构，六面体网格划分难度较大，耗时长，所有本文中采取四面体的网格划分。
如图3.6所示。
图3.1气道模型网格划分
Gambit总共划分出了262946个网格，网格划分完需要对网格质量进行检查。
Gambit带有检查网格质量的功能，如图3.7。
Gambit判断网格质量优劣的参数值区间是（0，1），值越小代表表明网格质量越高。
从图3.7种可以看到，参数值在0.4以下的网格占到了网格总数的83.89%，而最差网格的参数值是0.6，且只占极小的一部分。
我们可以看出，排气歧管气道模型的网格质量能满足要求。
图3.2Gambit网格质量检查
网格划分完毕后，需在Gambit内设置气体进出口面和壁面。
发动机在工作过程中每缸是依次排气，所以需依次将4个废气入口设置为质量入流，并生成4个网格文件。
但由于此排气歧管左右对称，3、4支管的流动状态理论上是于2、1支管的流动状态时相同的，所以只需分析1缸和2缸排气的情况,即生成两个网格文件。
将排气出口处设置为pressure-outlet，其余未指定的面都默认为壁面。
依次将两个网格文件分别导入fluent中分别对其进行计算仿真。
3.2排气歧管材料
早期的汽车发动机单位重量功率低，燃烧效率不高，所排废气温度一般不超过500℃。
而随着发动机效率的提高和催化技术及增压技术的应用，如今发动机的排气温度显著提高，达到了750℃以上。
所以排气歧管的材料不仅要具备良好的铸造性能，还必须具有良好的高温性能。
目前使用的排气歧管从材料和加工方式上一般分为铸铁歧管和不锈钢歧管。
本文中的排气歧管材料为铸铁，其内表面粗糙度为Ra0.25。
在fluent中设置材料时选取steel，各项物性保持默认。
3.3有限元边界条件
各种流动问题的控制方程在本质上都是相同的，而造成各种流动状态间的巨大差别主要是边界条件的不同。
边界条件是指求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随时间或空间的变化率。
只有给定合理的边界条件，才能计算出所求流场合理的解。
常用的边界条件包括速度、压力、流量等。
边界条件的确定方法大体可分为三种类型：
解析法、试验法、试算法。
解析法是把各种边界条件解析化，通过各种方法找出合理的经验公式来求解；试验法对于难以用解析法确定的边界条件是一种行之有效的方法，它通过试验结合数学归纳等方法，建立近似的计算公式，为边界条件的解析化奠定基础；试算法是对于那些既难以解析确定，又难以试验测出的边界条件，可先作假设再通过以某一量值为标准进行试算，使结果与该标准值吻合，从而确定边界条件。
通常情况下，如果不具备实验条件的话，一般采用解析法来求解边界条件。
解析法求出的边界条件在理论上是正确的，但是实际情况颇为复杂，解析法不可能将实际中所有的因素都考虑进去，所以求得的边界条件与实际边界条件往往存在误差。
发动机实际工作中排气歧管内流通的气体是气缸内燃料燃烧废气，成分复杂且随发动机工作状态的不同而差别较大，各项参数难以测定，而如果将排气歧管内气体改成空气，仍然能判断排气歧管的流通特性，与实际情况也比较符合，对排气歧管的设计有重大的参考价值。
所以本文中计算的流体是空气。
目前在对于排气歧管的CFD分析中，较为常用的方法是将入口设定为某一恒定质量流量值或者某一恒定的速度值，而将出口处的边界条件设定为某一恒定压力值。
在本文中，将排气歧管入口边界条件设定为某一恒定入流压强，将出口边界条件设定为恒定压强。
3.3.1发动机实验数据
本例中，在前期收集资料时获得了某1.5L发动机的一些试验数据，所以边界条件的确定将参考这些实验数据见表（3.1），并在必要的时候使用解析法。
表3.1发动机实验数据
序号
转速（r/min）
功率（kw）
排气温度（℃）
排气压力（kpa）
1
2000
25.2
678
2.0
2
3202
43.0
700
7.0
3
4001
56.3
754
14.0
4
5201
71.5
777
32.0
5
6000
75.6
777
34.0
本例中将选取发动机转速为6000r/min时的状态来确定边界条件，因为6000转时发动机工作较为剧烈，如果能保证该状态下的气体流通性能，那么低转速下的也能保证。
3.3.2气体入口处的边界条件
1入口处水力直径及湍流强度
（1）水力直径
圆管的水力直径就等于其直径，本文中排气歧管入口、出口均为圆管，所以水力直径等于圆管直径：
d=35mm
（2）雷诺数Re及湍流强度
本例参考的发动机为某1.5L排量四缸直列式发动机，其单缸容积为Vs：
Vs=1.5/4=0.375L=0.375×10-3m3
转速为n：
n=6000r/min=100r/s
排气行程时间t为：
t=0.5/n=0.5/100=5×10^-3s
排气歧管入口处体积流量qv：
qv=Vs/t=0.375×10-3/5×10^-3=0.075m3/s
排气歧管入口处截面积A：
A=πd2/4=3.14×（35×10^-3）2/4=9.62×10-4m2
排气歧管入口处流体流速v：
v=qv/A=0.075/9.62×10-4=78m/s
粘度：
1050K时空气运动粘度μ，25℃（298K）度下空气运动粘度
μ0=1.8448×10-5pa.s
根据萨瑟兰公式：
其中B=110.4pa.s
经计算得，1050K下空气运动粘度为4.30358×10-5pa.s
空气密度：
ρ=1.29kg/m3
1050K时空气动力粘度：
ν=μ/ρ=4.30358×10-5/1.29=3.33×10-5m2/s
雷诺数Re：
Re=vd/ν=78×35×10-3/3.33×10-5=0.82×105
湍流强度I:
I=0.16×Re-1/8=0.16×（0.82×105）-1/8=0.0389=3.89%
2入口处来流的恒定压力
在发动机实际工作过程中，排气歧管入口处的压力并不是稳态的，在排气门开启瞬间排气歧管入口处的压强等于气缸内压力，此时为最大压力，等于发动机做功行程终点的压力。
而随着排气们逐渐开启，排气行程的逐渐进行，压力值会呈不规律的逐渐减小，这种规律从理论奥拓循环示功图上无法获取，必须通过实验来制取。
但如果假设排气过程是一个与时间无关的稳态过程，那么虽然所得的结果不能完全展现实际排气的流动状态，但是对于判断排气歧管的气体流通性还是一个很好的依据。
所以在本文的涉及到的计算中，排气过程是一个稳态过程。
《汽车构造》中提及：
“直4发动机在作功过程中，燃烧气体的最大压力可为3.0~6.0MPa，最高温度可达2200~2800K，……，作功行程结束时，压力约为0.35~0.5MPa，温度约为1200~1500K”。
故本文中设定排气歧管入流压力为0.35MPa，温度为1200K。
3.3.3气体出口处的边界条件
出口处的排气压力可以根据发动机试验数据得到：
pout=34kpa=34000pa（表压力）
计算气体出口处的水力直径及湍流强度：
水力直径：
d=40mm
理论上出流流量与入流流量是相等的，但是在实际过程中所有气体不能全部排出，在歧管内有残留气体，所以实际的出流流量与入流流量并不相等，从而造成雷诺数及湍流强度不能在在理论上求出，但是依据经验和入流的湍流强度值，可以将出流的湍流强度设为5%。
高温气体在排气歧管中流动必然会通过歧管壁面进行散热，其温度会逐渐降低，根据实验数据可得，出流温度为777℃，即1050K。
3.3.4壁面的边界条件
排气歧管外壁与空气直接接触，处于大气环境中，壁面温度为大气温度（300K），壁厚为1.5mm，粗糙度设置为0.25，壁面材料设置为steel。
3.3.5操作环境设置
虽然重力对于气体流动的影响因素不大，但为了能够更好地与实际情况相符和，也将重力考虑进去，重力大小设置为9.8m/s2。
环境压力为大气压力，设置为101325pa。
温度为300K。
4Fluent模拟过程
4.1控制方程
任何一种形式的流体流动都必须遵守质量、动量和能量守恒定律，而控制方程就是这三个定律的数学表达形式。
CFD计算流体问题时都是以这三个控制方程为基础的。
4.1.1连续方程
连续性方程又称质量方程，体现了质量守恒原则，方程式为：
式中ρ为密度，
为速度矢量。
4.1.2动量方程
动量方程实质上牛顿第二定律在流体力学中的
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