基于UG的排氣歧管的分析

朱紅波（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院,河南　焦作　454000）

基于UG的排氣歧管的分析

朱紅波
（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院,河南焦作454000）

摘要：本文基于UG NX8.5流體仿真功能分析了汽車排氣歧管中氣體的流動狀態(tài)、速度分布和壓力分布等。

關鍵詞：UG流體仿真；排氣歧管；流速；壓力

0　引言

UGNX流體運動仿真（NXFlow）就是用計算流體力學來準確、高效地仿真流體運動。一個基于元件的有限量CFD方案通過解算Savier-Stock方程式來計算三維流體的速度、壓力和密度等參數(shù)。

1　問題描述

排氣歧管（如圖1所示）一般是汽車排氣系統(tǒng)里面結(jié)構(gòu)較為復雜的部分，因為其對長度、彎度和口徑等尺寸形狀的要求嚴格，令開發(fā)和制作的成本很高，同時排氣歧管的設計優(yōu)良與否對整套排氣系統(tǒng)的吸排作用效果有著決定性的影響，從而也對發(fā)動機的性能發(fā)揮有著一定程度的影響。本文以常見的四缸發(fā)動機排氣歧管為分析對象，排氣管采用兩根排氣歧管先匯總成一根管，再與另外兩歧管匯總成一根管匯總成一條排氣管的四出二出一的設計，有利于低速時的扭力輸出，較適合日常行車只用。

2　排氣歧管仿真分析

2.1創(chuàng)建流體分析計算域

在UG建模環(huán)境下，建立如圖1的歧管模型。然后通過抽取體和刪除面命令，最終得出流體分析的計算域，如圖2所示。

圖1　排氣歧管

圖2　流體分析計算域

2.2創(chuàng)建有限元模型

進入UG的高級仿真環(huán)境，在新建FEM命令，選擇NXThermal/ Flow模板，在分析類型中選擇流，即可進入創(chuàng)建有限元模型的環(huán)境。

2.3指派材料屬性及劃分網(wǎng)格

給計算流域指派材料為air，密度：1.207e-009kg/mm3，動力粘度：1.85e-008，摩爾質(zhì)量：0.02897kg，氣體常數(shù)：2.87e+008microJ/kgK。創(chuàng)建3D網(wǎng)格收集器：Solid(1)。對計算流域創(chuàng)建3D四面體10節(jié)點網(wǎng)格，單元格系統(tǒng)自動指派大小為11.7mm。對于運動情況較復雜的流體，如果運動較為紊亂，則流體與壁面接觸區(qū)域必須要比較精細，一則是為了分析的精確性；二則為了后處理的需要。所以手動指派網(wǎng)格大小為5mm，對網(wǎng)格精細劃分，以提高解算的精度。并勾選自動修復有故障的單元選項，網(wǎng)格收集器手動選擇為Solid(1)，然后其他選項保存默認。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，網(wǎng)格類型：3D，網(wǎng)格中的單元數(shù)：95808，網(wǎng)格中的節(jié)點數(shù)：149508，網(wǎng)格方法信息ElementType：TET10。對有限元模型網(wǎng)格劃分進行檢查，結(jié)果：0個失敗，0個警告，說明網(wǎng)格劃分質(zhì)量很高，符合要求。

2.4創(chuàng)建仿真模型與解算方案

在仿真導航器中，右擊fem文件節(jié)點的，新建sim仿真文件，在模板列表中選擇NXThermal/Flow，默認其他的選項設置。在解算方案欄下保持求解器為NXThermal/Flow，分析類型選擇流，解算方案類型選擇高級流，用連續(xù)求解器求解，湍流類型設置為混合長度，解算方案類型為穩(wěn)態(tài)分析。在條件環(huán)境標簽下，把重力方向設置為Z軸負方向，保持其他選擇不變。

2.5施加邊界條件和約束

選擇仿真導航器里面選擇sim節(jié)點作為工作部件，在流邊界條件對話框里，設置歧管的4進口及旁路進口類型為入口流，模式為速度，表達式為1000mm/s，外部條件為環(huán)境光。然后，選擇總管大出口面，設置其類型為開口，其他保持默認設置。

2.6方案求解及后處理

對方案進行求解，得到速度云圖，如圖4所示，由速度云圖可知，流速最大值為2198.258mm/s，單元編號為142999，最大流速出現(xiàn)在旁路排氣管的轉(zhuǎn)折內(nèi)圓角處，且旁路管進口部位附近流速都比其他部位大，在此處氣體流動局部損失會比較大，需要進行設計優(yōu)化，降低流速，把動壓轉(zhuǎn)變成靜壓，減少流動阻力損失；流速最小值為14.859mm/s，單元編號為148484，最小流速位于總管出口處。四個主排氣管流速數(shù)值分布比較接近，說明設計合理。利用結(jié)果測量命令對流速、壓力進行提取，結(jié)果如表1。

圖3　網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖4　速度云圖

表1　流速、壓力測量結(jié)果

3　結(jié)語

通過對排氣歧管抽取計算流域，建立有限元模型施加邊界條件等前處理，求解和分析等后處理，得出了流動的速度云圖，分析了排氣歧管速度的大小分布，同時也給出了靜壓力和總壓力的平均值和最大值，以及最大值的單元格編號。為排氣歧管的機構(gòu)設計和優(yōu)化提供了參考。

參考文獻：

[1]胡仁喜,康士廷.UG NX8.5動力學與有限元分析從入門到精通[M].機械工業(yè)出版社,2014.

[2]沈春根,王貴成,王樹林.UG NX7.0有限元分析從入門與實例精講[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[3]劉婕.流體機械[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2012.

作者簡介：朱紅波（1981-），男，本科 ，主要從事：機械方面教學及研究。