發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管三維建模及流通特性

1、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管三維建模及流通特性分析學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)學(xué) 號(hào)姓 名指導(dǎo)教師負(fù)責(zé)教師摘 要隨著汽車市場(chǎng)日益壯大，人們的購(gòu)車?yán)砟钜灿映墒?，?duì)于汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)越來越重視，尤其是汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。作為汽車最重要的部件發(fā)動(dòng)機(jī)，其性能的優(yōu)劣將對(duì)汽車動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能產(chǎn)生決定性的影響。而作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要零部件之一的排氣歧管，它的氣體流通性能也會(huì)對(duì)整機(jī)的輸出功率和循環(huán)熱效率產(chǎn)生顯著影響。為了分析某型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的氣體流通特性，這里采用有限元分析法，利用CFD軟件fluent對(duì)排氣歧管氣體模型進(jìn)行仿真，從而估測(cè)實(shí)際流體在排氣歧管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，并以此來判斷排氣歧管的氣體流通特性。結(jié)果表明，排氣歧管的轉(zhuǎn)彎

2、會(huì)對(duì)流場(chǎng)均勻性造成影響，但該排氣歧管流通性符合要求。關(guān)鍵詞：排氣歧管，氣體模型，流通特性，fluentThree-dimensional modeling of the exhaust manifold and the gas flow characteristicAbstractNowadays, the car industry has shown a momentous growth. Car buyers become more cautious and careful to make a final decision. Before their purchase, theyd lik

3、e to check out the cars performance as well as its every single indicator, especially the power and economy. Its known that a cars engine can make a great difference in a cars total performance. Therefore, exhaust manifold, part of a cars engine, undoubtedly have its crucial stake in determining the

4、 engine performance. Its gas flow can exercise a remarkable influence on the engines output power and its cycle thermal efficiency. In this paper, finite element analysis was adopted to explore the characteristics of the gas flow in the exhaust manifold. With Fluent (a CFD software) we created a gas

5、 model, which simulates the situations in the exhaust manifold, to estimate the actual gas flow. As a result, the gas flow in the exhaust manifold can be better analyzed and understood.The results show that, the turning of the exhaust manifold has an effect on the uniformity of gas flow, but this ex

6、haust manifold meets the requirements on gas flow.Keywords: Exhaust manifold, gas model, flow, fluent目 錄1 緒論11.1 引言11.2 國(guó)內(nèi)外研究成果11.3 本文研究對(duì)象及內(nèi)容22 背景及概述32.1 課題背景32.2 有限元法及計(jì)算流體力學(xué)（CFD）32.2.1 概論32.2.2 CFD求解流體問題的一般過程32.3 計(jì)算流體力學(xué)軟件fluent概要43 排氣歧管有限元物理模型53.1 排氣歧管幾何模型53.1.1 排氣歧管三維模型建立53.1.2 排氣歧管網(wǎng)格劃分73.2 排氣歧管材料

7、93.3 有限元邊界條件93.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)103.3.2 氣體入口處的邊界條件113.3.3 氣體出口處的邊界條件123.3.4 壁面邊界條件133.3.5 操作環(huán)境設(shè)置134 fluent模擬過程144.1控制方程144.1.1 連續(xù)方程144.1.2 動(dòng)量方程144.1.3 能量方程144.2 湍流模型154.3 求解方法165 計(jì)算結(jié)果及分析175.1排氣歧管內(nèi)各支管流場(chǎng)分布175.1.1支管1計(jì)算結(jié)果175.1.2支管2計(jì)算結(jié)果195.2結(jié)果分析215.3結(jié)論及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向215.4工作展望226 致謝23參考文獻(xiàn)24241 緒論1.1 引言隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展、計(jì)算流體

8、力學(xué)的日益成熟，CFD軟件已經(jīng)成為解決各種現(xiàn)實(shí)流體問題的重要輔助手段。在計(jì)算流體力學(xué)沒有發(fā)展起來的年代，僅僅依靠傳統(tǒng)理論流體力學(xué)來解決現(xiàn)實(shí)中各種復(fù)雜流場(chǎng)問題實(shí)現(xiàn)起來非常困難，而有了CFD軟件的輔助就容易的多。而汽車排氣歧管內(nèi)的流場(chǎng)分析是是排氣歧管的研究熱點(diǎn)之一，其內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，并且對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)保性和動(dòng)力性有著直接的影響，僅依靠傳統(tǒng)理論流體力學(xué)難以計(jì)算其內(nèi)部速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)。然而采用有限體積法、有限差分法、特征線法等方法，通過各種CFD軟件，如：以一維流動(dòng)為動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的GT-power和BOOST、CFD軟件FIRE和FLUENT，對(duì)排氣歧管內(nèi)的流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)起來就容易的多了。1.2 國(guó)內(nèi)外研究成果在對(duì)

9、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的研究中，國(guó)外的學(xué)者起步較早，并取得了許多重要的研究成果。2002年，Kresovic等人通過FLUENT得到了流體分布和熱傳遞的詳細(xì)信息，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相互對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者有較好的吻合。2003年，Milanovic則指出排氣歧管性能對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的重要影響，研究了水冷排氣歧管應(yīng)用與汽油、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)上的可行性，并通過FLUENT對(duì)排氣歧管進(jìn)行了流體分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了仿真結(jié)果的正確性。Kessler等人在忽略催化轉(zhuǎn)化器中的化學(xué)反應(yīng)的情況下，使用流體分析軟件對(duì)帶有催化轉(zhuǎn)換器的排氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，也得到了合理的流場(chǎng)分布圖。2005年，Ranganathan R等人通

10、過大量的各類型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了各參數(shù)之間的聯(lián)系，并根據(jù)這種聯(lián)系成功預(yù)測(cè)了排氣歧管內(nèi)的溫度場(chǎng)的分布情況。2007年，Park等人針對(duì)零排放的汽車四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，通過理論和實(shí)際相結(jié)合的方法，研究了緊耦合式排氣歧管的流場(chǎng)分布，改善了脈沖氣流的均勻性。2008年，Buckland等人對(duì)可變氣門正時(shí)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管壓力進(jìn)行了研究，由于傳統(tǒng)的降階線性觀測(cè)器需要采取太多數(shù)據(jù)，于是結(jié)合簡(jiǎn)單的提前補(bǔ)償，采用了新的非線性的靜態(tài)估計(jì)方法。國(guó)內(nèi)的汽車行業(yè)相對(duì)而言起步較晚，但是國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者在消化吸收國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)水平后，也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和重要的研究成果。2006年，廣西玉柴股份公司的李湘華等人，通過CFD軟件分析

11、了柴油機(jī)排氣歧管的內(nèi)部流場(chǎng)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，使排氣歧管模型內(nèi)腔容積減小，管內(nèi)部分漩渦消失，流通阻力減小，各缸流量均勻性得到提高。2010年，鄭美茹采用FLUENT對(duì)捷達(dá)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的2V排氣歧管進(jìn)行了流場(chǎng)分析，得到了其內(nèi)部流場(chǎng)分布圖，并觀察找出了回流現(xiàn)象發(fā)生的部位，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后有效減少了回流現(xiàn)象。2011年，黃澤好等人利用ABAQUS軟件計(jì)算出了帶有催化轉(zhuǎn)換器的排氣歧管中各單管和催化轉(zhuǎn)換器前端截面的流速分布，并根據(jù)結(jié)果對(duì)排氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后的排氣歧管在流量均勻性、減小流動(dòng)阻力、減少渦旋、氣流噪音和能量損失方面有著顯著的成效。2013年，劉曉宇利用GT-power和ANASY

12、S對(duì)帶催化轉(zhuǎn)換器的排氣歧管結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)性能、流動(dòng)性能和熱疲勞的全面分析，得到排氣歧管的使用性能和壽命性能，為改善排氣歧管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種統(tǒng)一而全面的設(shè)計(jì)方法。1.3 本文研究對(duì)象及內(nèi)容本文將利用Fluent軟件對(duì)排氣歧管內(nèi)部速度、壓力流場(chǎng)分布的均勻性和流量進(jìn)行分析。并根據(jù)結(jié)果提出對(duì)該排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。具體內(nèi)容包括：1.前期理論學(xué)習(xí)（1）查閱國(guó)內(nèi)外對(duì)于排氣歧管研究的有關(guān)論文文獻(xiàn)，了解排氣歧管研究的主要內(nèi)容。（2）學(xué)習(xí)理論流體力學(xué)和計(jì)算流體力學(xué)方面相關(guān)內(nèi)容，掌握其基本知識(shí)。2 仿真模型建立（1）參考現(xiàn)有排氣歧管結(jié)構(gòu)及尺寸，利用UG NX9.0建立排氣歧管三維模型。（2）利用Fluent

13、前處理軟件Gambit對(duì)排氣歧管三維模型劃分網(wǎng)格。（3）設(shè)定邊界條件及求解器利用Fluent計(jì)算排氣歧管流場(chǎng)分布。3 分析及優(yōu)化（1）對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行流通性分析。（2）提出對(duì)排氣歧管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。 2 背景及概述2.1 課題背景汽車排氣歧管是將發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的燃燒后廢氣從氣缸內(nèi)順利派出的重要零件，其結(jié)構(gòu)是帶有分歧的管路，作用是各歧管與發(fā)動(dòng)機(jī)各氣缸相連接，引導(dǎo)氣缸內(nèi)熱力循環(huán)高溫廢氣排出發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)氣缸內(nèi)產(chǎn)生的高溫廢氣將先通過排氣歧管再流經(jīng)三元催化器，經(jīng)催化處理后再排向大氣環(huán)境。如果排氣歧管內(nèi)流場(chǎng)不均，將影響三元催化劑的有效催化面積，從而影響三元催化器的效率，環(huán)保性得不到滿足。同時(shí)，流場(chǎng)

14、不均也會(huì)影響氧傳感器的檢測(cè)精度，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差，給ECU輸入不精確的信號(hào)，從而導(dǎo)致ECU不能將空燃比調(diào)節(jié)至最佳，影響發(fā)動(dòng)機(jī)不能滿足各種工況所要求的性能。流場(chǎng)暢通性不好亦將會(huì)增大排氣阻力，增大活塞排氣壓力，增加熱力循環(huán)負(fù)功，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率和循環(huán)熱效率，影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。所以發(fā)動(dòng)機(jī)的前期設(shè)計(jì)中，排氣歧管的流通特性分析極其重要。2.2 有限元法及計(jì)算流體力學(xué)（CFD）2.2.1 概論工程計(jì)算中，往往需要求解各類微分方程，而許多微分方程的解很難得到，使用有限元法將微分方程離散化后，可以編制程序，用計(jì)算機(jī)輔助求解。而計(jì)算流體力學(xué)就是將有限元方法應(yīng)用到流體力學(xué)中，通過計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法

15、來求解流體力學(xué)的控制方程，對(duì)流體問題進(jìn)行模擬和分析。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多商業(yè)CFD軟件，對(duì)解決各種流體問題提供了重要的輔助。排氣歧管CFD計(jì)算過程可以看作是在流體三大基本方程（連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程）控制下對(duì)歧管內(nèi)高溫氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬。2.2.2 CFD求解流體問題的一般過程（1）建立控制方程（2）確定邊界條件和初始條件（3）劃分計(jì)算網(wǎng)格（4）建立離散方程（5）離散初始條件和邊界條件（6）給定求解控制參數(shù)（7）求解離散方程（8）顯示計(jì)算結(jié)果2.3 計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent概要本文采用的軟件是anasys下的fluent模塊，F(xiàn)luent是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，在美

16、國(guó)的市場(chǎng)占有率達(dá)到了60%，它具有非常豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法和強(qiáng)大的前后處理功能，凡是和流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的工業(yè)均可使用。它涵蓋的主要領(lǐng)域包括航空航天、汽車設(shè)計(jì)和石油天然氣方面。Fluent軟件包含基于壓力的分離求解器、基于壓力的耦合求解器、基于密度的隱式求解器，其求解器的數(shù)量是同類軟件中最多的，多求解器技術(shù)使Fluent軟件可以用來模擬從不可壓縮到高超音速范圍內(nèi)的各種復(fù)雜流暢。同傳統(tǒng)CFD計(jì)算方法相比，F(xiàn)luent具有更好的穩(wěn)定性，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合較好。其適用范圍廣，可應(yīng)用于從可壓縮流到不可壓縮流、牛頓流體和非牛頓流體、亞聲速到超高聲速、單相流到多相流、化學(xué)反應(yīng)、燃燒、氣固

17、混合等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域。Fluent也有較高的計(jì)算精度，可以達(dá)到二階精度。3 排氣歧管的有限元物理模型3.1 排氣歧管幾何模型有限元分析的第一個(gè)步驟是建立所要分析結(jié)構(gòu)的CAD幾何模型。幾何模型的建立需參照物體的真實(shí)結(jié)構(gòu)，但不是完美地將其復(fù)制。如果將某些對(duì)整體分析結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)忽略不計(jì)、將模型作適當(dāng)?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，那么便能在保持結(jié)果變化不大的情況下，省卻許多人力和計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間。故本例中將根據(jù)某些現(xiàn)有的排氣歧管，參考其尺寸并作適當(dāng)修改，對(duì)其結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡(jiǎn)化，建立所需的排氣歧管氣道的幾何模型。3.1.1 排氣歧管三維模型建立隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，三維CAD軟件層出不窮，且功能日益強(qiáng)大

18、。如今市場(chǎng)上主流的三維建模軟件包括Proe、Catia、AutoCad和UG等，其中UG具有較為優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)和制圖功能，且擁有出色的操作邏輯和人性化的操作界面，故本例中將采用UG9.0來進(jìn)行排氣歧管及其內(nèi)氣道的三維建模。四缸往復(fù)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)可以說是如今汽車的主流發(fā)動(dòng)機(jī)，本例中也將建立一個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管氣道模型。四缸發(fā)動(dòng)機(jī)中常見的排氣歧管結(jié)構(gòu)主要包括4-1式排氣歧管和4-2-1式排氣歧管（如圖3.1和3.2所示）。4-1式排氣歧管是將四根支管直接匯成一個(gè)總排氣管；4-2-1式排氣歧管是分別將兩根支管匯總成一根管道，再將匯總后的兩根管道再匯總成一起。經(jīng)查閱資料，4-1式排氣歧管適合高轉(zhuǎn)速時(shí)

19、廢氣脈沖的排除，有利于提高功率；而4-2-1式排氣歧管則有利于低轉(zhuǎn)速時(shí)的扭矩輸出。圖3.1 “4-1”式排氣歧管圖3.2 “4-2-1”式排氣歧管本文中將參考某一現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)4-1結(jié)構(gòu)的排氣歧管，對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化和改變，建立一個(gè)4-1排氣歧管模型，入口直徑為35mm，出口直徑為40mm，壁厚1.5mm，承左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。 如圖3.3和3.4所示。但是在fluent實(shí)際計(jì)算中，計(jì)算域是排氣歧管中的流體，流體在排氣歧管中流動(dòng)的形狀就是排氣歧管內(nèi)部的氣道形狀，所以必須再建立該排氣歧管的氣道模型用來對(duì)其流通性進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖3.5所示。圖3.3 排氣歧管三維模型圖3.4 排氣歧管三維模型圖3.5

20、排氣歧管氣道模型3.1.2 排氣歧管網(wǎng)格劃分眾所周知，網(wǎng)格劃分是CFD的前處理過程，高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有著重大的影響。Gambit是CFD常用的前處理器，其生成的網(wǎng)格文件可以導(dǎo)入進(jìn)polyflow、fluent、fidap等主流CFD軟件中。本文也將采用Gambit對(duì)排氣歧管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分和非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有著規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從生成速度和后續(xù)的計(jì)算速度上來說有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)于復(fù)雜幾何外形劃分網(wǎng)格要耗費(fèi)大量人工，且劃分難度較大，自動(dòng)化程度不高，因此非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格逐漸發(fā)展起來。故本文中將采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格自動(dòng)劃分。在Gambit中，只有m

21、ap和submap生產(chǎn)的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余方法生成的均為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。Gambit可以對(duì)模型進(jìn)行六面體、四面體的網(wǎng)格劃分。六面體網(wǎng)格一般比四面體網(wǎng)格有著較高的質(zhì)量，同樣的體積下有著較少的數(shù)量，計(jì)算時(shí)間也相對(duì)較短，但是對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，六面體網(wǎng)格劃分難度較大，耗時(shí)長(zhǎng)，所有本文中采取四面體的網(wǎng)格劃分。如圖3.6所示。圖3.6 氣道模型網(wǎng)格劃分Gambit總共劃分出了262946個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完需要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查。Gambit帶有檢查網(wǎng)格質(zhì)量的功能，如圖3.7。Gambit判斷網(wǎng)格質(zhì)量?jī)?yōu)劣的參數(shù)值區(qū)間是（0，1），值越小代表表明網(wǎng)格質(zhì)量越高。從圖3.7種可以看到，參數(shù)值在0.4以下的網(wǎng)格占到了網(wǎng)

22、格總數(shù)的83.89%，而最差網(wǎng)格的參數(shù)值是0.6，且只占極小的一部分。我們可以看出，排氣歧管氣道模型的網(wǎng)格質(zhì)量能滿足要求。圖3.7 Gambit網(wǎng)格質(zhì)量檢查網(wǎng)格劃分完畢后，需在Gambit內(nèi)設(shè)置氣體進(jìn)出口面和壁面。發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中每缸是依次排氣，所以需依次將4個(gè)廢氣入口設(shè)置為質(zhì)量入流，并生成4個(gè)網(wǎng)格文件。但由于此排氣歧管左右對(duì)稱，3、4支管的流動(dòng)狀態(tài)理論上是于2、1支管的流動(dòng)狀態(tài)時(shí)相同的，所以只需分析1缸和2缸排氣的情況,即生成兩個(gè)網(wǎng)格文件。將排氣出口處設(shè)置為pressure-outlet，其余未指定的面都默認(rèn)為壁面。依次將兩個(gè)網(wǎng)格文件分別導(dǎo)入fluent中分別對(duì)其進(jìn)行計(jì)算仿真。3.2 排氣

23、歧管材料早期的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量功率低，燃燒效率不高，所排廢氣溫度一般不超過500。而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)效率的提高和催化技術(shù)及增壓技術(shù)的應(yīng)用，如今發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度顯著提高，達(dá)到了750以上。所以排氣歧管的材料不僅要具備良好的鑄造性能，還必須具有良好的高溫性能。目前使用的排氣歧管從材料和加工方式上一般分為鑄鐵歧管和不銹鋼歧管。本文中的排氣歧管材料為鑄鐵，其內(nèi)表面粗糙度為Ra0.25。在fluent中設(shè)置材料時(shí)選取steel，各項(xiàng)物性保持默認(rèn)。3.3 有限元邊界條件各種流動(dòng)問題的控制方程在本質(zhì)上都是相同的，而造成各種流動(dòng)狀態(tài)間的巨大差別主要是邊界條件的不同。邊界條件是指求解域的邊界上所求解的變量或其一階導(dǎo)

24、數(shù)隨時(shí)間或空間的變化率。只有給定合理的邊界條件，才能計(jì)算出所求流場(chǎng)合理的解。常用的邊界條件包括速度、壓力、流量等。邊界條件的確定方法大體可分為三種類型：解析法、試驗(yàn)法、試算法。解析法是把各種邊界條件解析化，通過各種方法找出合理的經(jīng)驗(yàn)公式來求解；試驗(yàn)法對(duì)于難以用解析法確定的邊界條件是一種行之有效的方法，它通過試驗(yàn)結(jié)合數(shù)學(xué)歸納等方法，建立近似的計(jì)算公式，為邊界條件的解析化奠定基礎(chǔ)；試算法是對(duì)于那些既難以解析確定，又難以試驗(yàn)測(cè)出的邊界條件，可先作假設(shè)再通過以某一量值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試算，使結(jié)果與該標(biāo)準(zhǔn)值吻合，從而確定邊界條件。通常情況下，如果不具備實(shí)驗(yàn)條件的話，一般采用解析法來求解邊界條件。解析法求出的邊

25、界條件在理論上是正確的，但是實(shí)際情況頗為復(fù)雜，解析法不可能將實(shí)際中所有的因素都考慮進(jìn)去，所以求得的邊界條件與實(shí)際邊界條件往往存在誤差。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作中排氣歧管內(nèi)流通的氣體是氣缸內(nèi)燃料燃燒廢氣，成分復(fù)雜且隨發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的不同而差別較大，各項(xiàng)參數(shù)難以測(cè)定，而如果將排氣歧管內(nèi)氣體改成空氣，仍然能判斷排氣歧管的流通特性，與實(shí)際情況也比較符合，對(duì)排氣歧管的設(shè)計(jì)有重大的參考價(jià)值。所以本文中計(jì)算的流體是空氣。目前在對(duì)于排氣歧管的CFD分析中，較為常用的方法是將入口設(shè)定為某一恒定質(zhì)量流量值或者某一恒定的速度值，而將出口處的邊界條件設(shè)定為某一恒定壓力值。在本文中，將排氣歧管入口邊界條件設(shè)定為某一恒定入流壓強(qiáng)，

26、將出口邊界條件設(shè)定為恒定壓強(qiáng)。3.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)本例中，在前期收集資料時(shí)獲得了某1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)的一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以邊界條件的確定將參考這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表（3.1），并在必要的時(shí)候使用解析法。表3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序號(hào)轉(zhuǎn)速（r/min）功率（kw）排氣溫度（）排氣壓力（kpa）1200025.26782.02320243.07007.03400156.375414.04520171.577732.05600075.677734.0本例中將選取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6000r/min時(shí)的狀態(tài)來確定邊界條件，因?yàn)?000轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作較為劇烈，如果能保證該狀態(tài)下的氣體流通性能，那么低轉(zhuǎn)速下的也能保證。

27、3.3.2 氣體入口處的邊界條件1 入口處水力直徑及湍流強(qiáng)度（1）水力直徑圓管的水力直徑就等于其直徑，本文中排氣歧管入口、出口均為圓管，所以水力直徑等于圓管直徑：d=35mm（2）雷諾數(shù)Re及湍流強(qiáng)度本例參考的發(fā)動(dòng)機(jī)為某1.5L排量四缸直列式發(fā)動(dòng)機(jī)，其單缸容積為Vs：Vs=1.5/4=0.375L=0.375×10-3m3轉(zhuǎn)速為n：n=6000r/min=100r/s排氣行程時(shí)間t為：t=0.5/n=0.5/100=5×10-3s排氣歧管入口處體積流量qv：qv= Vs/t=0.375×10-3/5×10-3=0.075m3/s排氣歧管入口處截面積A：A

28、=d2/4=3.14×（35×10-3）2/4=9.62×10-4m2排氣歧管入口處流體流速v：v=qv/A=0.075/9.62×10-4=78m/s粘度：1050K時(shí)空氣運(yùn)動(dòng)粘度，25（298K）度下空氣運(yùn)動(dòng)粘度0=1.8448×10-5pa.s根據(jù)薩瑟蘭公式：其中B=110.4pa.s經(jīng)計(jì)算得，1050K下空氣運(yùn)動(dòng)粘度為4.30358×10-5pa.s空氣密度：=1.29kg/m31050K時(shí)空氣動(dòng)力粘度：=/=4.30358×10-5/1.29=3.33×10-5m2/s雷諾數(shù)Re：Re=vd/=78

29、15;35×10-3/3.33×10-5=0.82×105湍流強(qiáng)度I:I=0.16×Re-1/8=0.16×(0.82×105) -1/8=0.0389=3.89%2 入口處來流的恒定壓力在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中，排氣歧管入口處的壓力并不是穩(wěn)態(tài)的，在排氣門開啟瞬間排氣歧管入口處的壓強(qiáng)等于氣缸內(nèi)壓力，此時(shí)為最大壓力，等于發(fā)動(dòng)機(jī)做功行程終點(diǎn)的壓力。而隨著排氣們逐漸開啟，排氣行程的逐漸進(jìn)行，壓力值會(huì)呈不規(guī)律的逐漸減小，這種規(guī)律從理論奧拓循環(huán)示功圖上無法獲取，必須通過實(shí)驗(yàn)來制取。但如果假設(shè)排氣過程是一個(gè)與時(shí)間無關(guān)的穩(wěn)態(tài)過程，那么雖然所得的結(jié)果不

30、能完全展現(xiàn)實(shí)際排氣的流動(dòng)狀態(tài)，但是對(duì)于判斷排氣歧管的氣體流通性還是一個(gè)很好的依據(jù)。所以在本文的涉及到的計(jì)算中，排氣過程是一個(gè)穩(wěn)態(tài)過程。汽車構(gòu)造中提及：“直4發(fā)動(dòng)機(jī)在作功過程中，燃燒氣體的最大壓力可為3.06.0MPa，最高溫度可達(dá)22002800K，作功行程結(jié)束時(shí)，壓力約為0.350.5MPa，溫度約為12001500K”。故本文中設(shè)定排氣歧管入流壓力為0.35MPa，溫度為1200K。3.3.3 氣體出口處的邊界條件出口處的排氣壓力可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到：pout=34kpa=34000pa（表壓力）計(jì)算氣體出口處的水力直徑及湍流強(qiáng)度：水力直徑：d=40mm理論上出流流量與入流流量是相等

31、的，但是在實(shí)際過程中所有氣體不能全部排出，在歧管內(nèi)有殘留氣體，所以實(shí)際的出流流量與入流流量并不相等，從而造成雷諾數(shù)及湍流強(qiáng)度不能在在理論上求出，但是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和入流的湍流強(qiáng)度值，可以將出流的湍流強(qiáng)度設(shè)為5%。高溫氣體在排氣歧管中流動(dòng)必然會(huì)通過歧管壁面進(jìn)行散熱，其溫度會(huì)逐漸降低，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，出流溫度為777，即1050K。3.3.4 壁面的邊界條件排氣歧管外壁與空氣直接接觸，處于大氣環(huán)境中，壁面溫度為大氣溫度（300K），壁厚為1.5mm，粗糙度設(shè)置為0.25，壁面材料設(shè)置為steel。3.3.5 操作環(huán)境設(shè)置雖然重力對(duì)于氣體流動(dòng)的影響因素不大，但為了能夠更好地與實(shí)際情況相符和，也將重力考慮

32、進(jìn)去，重力大小設(shè)置為9.8m/s2。環(huán)境壓力為大氣壓力，設(shè)置為101325pa。溫度為300K。4 Fluent模擬過程4.1 控制方程任何一種形式的流體流動(dòng)都必須遵守質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒定律，而控制方程就是這三個(gè)定律的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。CFD計(jì)算流體問題時(shí)都是以這三個(gè)控制方程為基礎(chǔ)的。4.1.1 連續(xù)方程連續(xù)性方程又稱質(zhì)量方程，體現(xiàn)了質(zhì)量守恒原則，方程式為：式中為密度，為速度矢量。4.1.2 動(dòng)量方程動(dòng)量方程實(shí)質(zhì)上牛頓第二定律在流體力學(xué)中的體現(xiàn)，本質(zhì)上是就是F=ma在流體中的表示方式，動(dòng)量守恒方程又稱為納維-斯托克斯方程，簡(jiǎn)稱N-S方程，方程式為的三維直角坐標(biāo)表達(dá)形式為：式中，p為靜壓；為流體密

33、度；X、Y、Z為三個(gè)方向單位質(zhì)量分力；u、v、w為三個(gè)方向的速度分量；為流體運(yùn)動(dòng)粘度；2為拉普拉斯算子。4.1.3 能量方程能量方程體現(xiàn)的是流體流動(dòng)的能量守恒原則：式中，為有效導(dǎo)熱系數(shù)，為導(dǎo)熱系數(shù)k與湍流導(dǎo)熱系數(shù)之和；為組分j的擴(kuò)散通量。等號(hào)右邊前三項(xiàng)分別代表由于導(dǎo)熱、組分?jǐn)U散和粘性耗散引起的能量輸運(yùn)。包括反應(yīng)生成熱和其它體積熱源。E為總能。由于在本文中所假設(shè)的是氣體在排氣歧管中的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，所以各物理量關(guān)于時(shí)間的變量為零。只要將上述的非定常可壓縮粘性流體的控制方程組中關(guān)于時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)設(shè)為0，便能得到本文中的流體流動(dòng)的控制方程組。4.2 湍流模型雷諾數(shù)是判斷管中流體流動(dòng)狀態(tài)時(shí)層流還是湍流的關(guān)鍵依

34、據(jù)，如果管中流體的雷諾數(shù)大于上臨界雷諾數(shù)Re c=13800,則管中流動(dòng)一定是湍流。從上文計(jì)算可知，排氣歧管中的氣體雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于上臨界雷諾數(shù)，所以在CFD計(jì)算時(shí)，將氣體模型設(shè)置為湍流模型。湍流運(yùn)動(dòng)在物理上近乎無窮多尺度漩渦流動(dòng)和數(shù)學(xué)上的強(qiáng)烈非線性，使得理論實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都很難解決湍流問題。雖然N-S方程能準(zhǔn)確描述湍流運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)，但求解起來將花費(fèi)大量的精力和時(shí)間。實(shí)際上往往采用平均N-S方程來描述湍流模型。但平均N-S方程中增加了六個(gè)雷諾應(yīng)力項(xiàng)，從而形成了湍流方程的不封閉，即求解不了，因此有人建立了相應(yīng)的湍流模型來進(jìn)行?；?，從而求解整個(gè)流場(chǎng)。CFD中不同的湍流模型對(duì)于不同的流動(dòng)問題求解有著不同的

35、精度，因此需要選擇和求解問題相適應(yīng)的湍流模型來求解以獲得較高的精度。CFD中常用的湍流模型根據(jù)微分方程數(shù)可分為：零方程模型、一方程模型、二方程模型、四方程模型和七方程模型。對(duì)于簡(jiǎn)單流動(dòng)而言，方程數(shù)越多則精度越高，計(jì)算量也越大，收斂性也越差。最簡(jiǎn)單的完整湍流模型是二方程模型，其中k-e模型是較常用二方程模型，適用于完全發(fā)展起來的湍流，而排氣歧管中的流體從在排氣歧管整個(gè)流動(dòng)過程中一直保持湍流狀態(tài)，所以采用k-e模型。k-e模型又包括標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型、RNG k-e模型及可實(shí)現(xiàn)的k-e模型，相對(duì)其余二者而言，標(biāo)準(zhǔn)的k-e模型應(yīng)用范圍是分子粘性的影響可以忽略的情況，而RNG k-e模型提供了一個(gè)考慮低

36、雷諾數(shù)流動(dòng)的粘度。排氣歧管中的氣體流動(dòng)一直保持在一個(gè)高雷諾數(shù)的狀態(tài)，并且排氣溫度很高，氣體的粘性也隨溫度的升高而升高，所以氣體粘度也不能忽略。綜上所述，將采用可實(shí)現(xiàn)的k-e模型。4.3 求解器設(shè)置采用基于壓力的求解器，計(jì)算中對(duì)于梯度插值項(xiàng)設(shè)置為格林-高斯基于節(jié)點(diǎn)的方案，速度項(xiàng)和壓力項(xiàng)的耦合關(guān)系采用SIMPLEC算法，壓力項(xiàng)離散格式采用二階格式，其余項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式，湍流模型如上所述，采用可實(shí)現(xiàn)的k-e湍流模型。5 計(jì)算結(jié)果及分析5.1 排氣歧管各支管速度流場(chǎng)分布由于該排氣歧管是承左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，所以支管1、2內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)和支管4、3的流動(dòng)狀態(tài)相同，所以只需計(jì)算支管1、2的流動(dòng)狀態(tài)。5.1.1

37、 支管1的計(jì)算結(jié)果一般認(rèn)為，當(dāng)我們所感興趣的值趨于穩(wěn)定并不在變化時(shí)，并且各項(xiàng)殘差也減小到某一值以下，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。在計(jì)算支管1時(shí)，監(jiān)控出口的質(zhì)量流量，發(fā)現(xiàn)其值從迭代的1400步開始已經(jīng)基本不隨迭代步數(shù)而改變，那么可以認(rèn)為支管1的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂。如圖：圖5.1 計(jì)算過程中的出流質(zhì)量流量支管1的速度流場(chǎng)分布圖為：圖5.2 支管1速度流場(chǎng)分布出口處渦旋：圖5.3 出口處渦旋支管1壓力分布圖：圖5.4 支管1壓力分布圖進(jìn)出口質(zhì)量流量：圖5.5 進(jìn)出口質(zhì)量流量5.1.2 支管2的計(jì)算結(jié)果同樣，在計(jì)算支管2時(shí)監(jiān)控到出口質(zhì)量流量保持恒定，基本不隨迭代步數(shù)發(fā)生變化，且各項(xiàng)殘差也保持一個(gè)較低和穩(wěn)定

38、的狀態(tài)時(shí)，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果收斂。支管2速度流場(chǎng)分布：圖5.6 支管2速度流場(chǎng)分布支管2壓力分布：圖5.7 支管2壓力分布進(jìn)出口質(zhì)量流量：圖5.8 進(jìn)出口質(zhì)量流量5.2 結(jié)果分析從支管1的流場(chǎng)分布情況中可以看出，在支管1的兩個(gè)轉(zhuǎn)彎處的流體流速明顯較大，造成流場(chǎng)不均勻，但從支管總體而言流速分布較為均勻。從壓力分布圖來看，壓力分布不均也是由支管上的較大轉(zhuǎn)彎造成。由于采用了4-1結(jié)構(gòu)的形式，支管1中流體在出口處受到支管3、4的影響而產(chǎn)生渦旋，而渦旋會(huì)產(chǎn)生噪聲并且會(huì)產(chǎn)生一部分的能量損失。而支管2中的轉(zhuǎn)彎半徑比支管1中的轉(zhuǎn)彎直徑要小，所以雖然轉(zhuǎn)彎處流體有較大的流速，但最大值要小于支管1。從壓力分布圖來看，

39、支管2中的流體受到了支管1和支管4構(gòu)的影響，在支管1和4的轉(zhuǎn)彎出形成兩個(gè)高壓力區(qū)域。總體而言支管2的結(jié)構(gòu)相比支管1較為平緩，所以其均勻性要好于支管1。支管3、4和支管2、1中的流動(dòng)情況相同。從上文的計(jì)算過程中可以得出，該1.5L的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)排歧管入流的體積流量qv=0.075m3/s，空氣密度=1.29 kg/m3，則其入流質(zhì)量流量q為q= qv=0.075×1.205=0.090375kg/s而從圖5.5和5.8中可得，在此邊界條件下，該排氣歧管內(nèi)空氣質(zhì)量為0.35kg/s左右，0.35kg/s>0.090375kg/s，其值遠(yuǎn)大于理論質(zhì)量流量，所以可以說明該排氣歧管的流通性可以得到保障。5.3