某發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力仿真與分析

王軍，劉配勇，王興國

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某發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)排氣歧管熱應(yīng)力仿真與分析

王軍，劉配勇，王興國

（江蘇康沃動力科技股份有限公司，江蘇 昆山 215300）

所研究的發(fā)電機(jī)組用柴油機(jī)屬于重型大排量V型柴油機(jī)。由于對該平臺的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化升級，發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)存在部分設(shè)計變更，為保證發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性，需對排氣歧管在高溫?zé)彷d荷下的強(qiáng)度進(jìn)行驗證分析。利用仿真技術(shù)對排氣歧管進(jìn)行了計算，其中涉及到了發(fā)動機(jī)性能、流動、傳熱以及熱應(yīng)力多個物理計算過程，最終得出了排氣歧管熱應(yīng)力分布情況。通過評估，排氣歧管大部分區(qū)域的熱應(yīng)力小于屈服極限，滿足工程要求，但在加強(qiáng)筋區(qū)域存在局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議取消加強(qiáng)筋。

排氣歧管；熱應(yīng)力；V型柴油機(jī)

前言

排氣歧管是發(fā)動機(jī)重要的高熱負(fù)荷零部件之一，在發(fā)動機(jī)工作過程中時刻承受著交變熱載荷以及振動載荷，工作環(huán)境十分惡劣。排氣歧管結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，將導(dǎo)致排氣歧管局部溫度過大，使得排氣歧管的變形以及熱應(yīng)力過大，進(jìn)而造成漏氣、裂紋等失效現(xiàn)象，使發(fā)動機(jī)無法正常工作[1]。

由于發(fā)動機(jī)額定工況下熱負(fù)荷較高，排氣歧管對應(yīng)的工作環(huán)境相對較惡劣，因此選取額定工況進(jìn)行仿真分析，建立相關(guān)仿真模型。本次分析工作涉及一維熱力學(xué)計算、三維CFD計算、傳熱計算以及有限元計算[2]。通過一維熱力學(xué)計算獲得CFD計算的邊界條件，如歧管各進(jìn)出口的瞬態(tài)流量、溫度以及壓力數(shù)據(jù)。CFD計算得出流體近壁面區(qū)域的溫度和換熱系數(shù)，進(jìn)而為固體區(qū)域的溫度計算提供邊界。最終將固體區(qū)域的溫度分布映射給有限元模型，進(jìn)行熱應(yīng)力計算，分析流程如圖1所示。

圖1 排氣歧管熱應(yīng)力仿真分析流程

1 排氣歧管CFD計算分析

由于排氣歧管內(nèi)的流動為瞬變過程，其內(nèi)部壓力和溫度波動劇烈，用穩(wěn)態(tài)計算的方法無法準(zhǔn)確描述排氣歧管的受熱狀態(tài)，需對內(nèi)流場的溫度和換熱系數(shù)進(jìn)行瞬態(tài)計算。該瞬態(tài)計算過程共持續(xù)3個發(fā)動機(jī)循環(huán)，即2160°發(fā)動機(jī)曲軸轉(zhuǎn)角。計算步長為1°曲軸轉(zhuǎn)角，內(nèi)迭代步數(shù)為30。前兩個循環(huán)是為了確保計算收斂性，第三個循環(huán)獲得穩(wěn)定的計算結(jié)果。

1.1 網(wǎng)格劃分

利用三維造型軟件獲取排氣歧管幾何結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)入流體仿真軟件。檢測并修復(fù)初始面網(wǎng)格，確保沒有自由邊、多重邊、多重點(diǎn)等網(wǎng)格問題。并且對不同網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行命名及邊界類型定義。首先進(jìn)行面網(wǎng)格重構(gòu)，再生成體網(wǎng)格。體網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格，多面體網(wǎng)格具有精度高、計算速度快、貼體性好等優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)格尺寸0.5mm-6mm，由于本分析是雷諾數(shù)大的可壓粘性流動，需要生成邊界層網(wǎng)格，設(shè)置2層邊界層，其厚度為0.8mm。另外為了有利于計算收斂，進(jìn)出口邊界均向外延伸了 10 層（每層厚度為 4mm ），總網(wǎng)格數(shù)約18萬。

圖2 排氣歧管內(nèi)流場計算模型

1.2 邊界條件及物性參數(shù)

各入口處給定質(zhì)量流量以及溫度邊界，出口位置給定壓力及溫度邊界。其邊界數(shù)據(jù)由一維熱力學(xué)模型計算所得，如圖3-圖6所示。所給定邊界數(shù)據(jù)為一個循環(huán)內(nèi)（曲軸轉(zhuǎn)角為0°～720°）的數(shù)據(jù)，由于其具有周期性，另外兩個循環(huán)基于相位平移獲取。同時需要根據(jù)轉(zhuǎn)速，將曲軸轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)化為軟件可讀的時間變量。排氣歧管內(nèi)的廢氣參考物理屬性如表1所示。

表1 廢氣的物理屬性

采用瞬態(tài)計算模式，控制方程為可壓縮 N-S方程。內(nèi)部流通氣體為可壓縮粘性氣體，湍流流動，湍流模型采用k-ε模型。壓力和迎風(fēng)耦合算法選擇 SILMPLE 算法，壁面為無滑移速度條件[3,4]。

圖4 各進(jìn)口溫度邊界

圖5 出口壓力邊界

圖6 出口溫度邊界

1.3 排氣歧管內(nèi)流場瞬態(tài)計算結(jié)果

經(jīng)過計算，輸出最后一個循環(huán)的平均當(dāng)?shù)貙α鲹Q熱系數(shù)分布以及平均當(dāng)?shù)販囟确植?。該平均為時域平均值，其計算公式如下所示[5]：

式中：h(x)為換熱系數(shù)；T（x）為近壁氣體溫度；Φ為曲軸轉(zhuǎn)角。

圖7 排氣歧管壁面換熱溫度分布

圖8 排氣歧管壁面換熱系數(shù)分布

圖7和圖8分別展示了排氣歧管壁面處的平均當(dāng)?shù)負(fù)Q熱系數(shù)及平均當(dāng)?shù)負(fù)Q熱溫度分布情況。由圖可知，無論換熱系數(shù)還是換熱溫度，在歧管匯集處的值均大于入口附近，這是由于排氣過程的流動特點(diǎn)導(dǎo)致的。在歧管匯集處時刻受到高溫廢氣的沖刷，而各支管在對應(yīng)排氣門關(guān)閉期間，其流速大幅降低，使得對應(yīng)的換熱系數(shù)及溫度較低。

2 排氣歧管固體域溫度場的計算

將排氣歧管內(nèi)流場的CFD計算所獲取的換熱系數(shù)及換熱溫度分布情況，作為歧管固體域溫度場計算的熱邊界條件。將外部環(huán)境的熱邊界設(shè)為定值，其溫度設(shè)為400K，對流換熱系數(shù)為10W?m-1?k-1。

與發(fā)動機(jī)缸蓋相連的法蘭面設(shè)為固定溫度值525K，與渦輪機(jī)相連的法蘭面設(shè)為絕熱邊界，認(rèn)為連接面處達(dá)到熱平衡狀態(tài)。固體材料的物性參數(shù)如表2所示。經(jīng)過計算排氣歧管固體域的溫度分布如圖9所示。固體域的溫度分布情況與流體域分布情況一致。

圖9 排氣歧管溫度分布圖

3 排氣歧管熱應(yīng)力計算

3.1 計算模型的創(chuàng)建

圖10為用于熱應(yīng)力計算的幾何結(jié)構(gòu)圖，包括排氣歧管、虛擬缸蓋、墊片、雙頭螺柱、螺栓、螺母。其中排氣歧管的入口與缸蓋相連，出口與渦輪機(jī)殼體相連，所以對虛擬缸蓋和兩個出口施加位移約束。圖11為建立的有限元網(wǎng)格模型，節(jié)點(diǎn)數(shù)約266萬，單元數(shù)約160萬。

圖11 排氣歧管網(wǎng)格模型

定義排氣歧管的物理屬性，如表2所示。將前面計算所得的固體域溫度映射給有限元網(wǎng)格，進(jìn)行排氣歧管熱應(yīng)力和熱變形分析。

表2 排氣歧管的材料屬性

3.2 計算結(jié)果

圖12為排氣歧管熱應(yīng)力分布情況，同時圖13展示了加強(qiáng)筋區(qū)域局部應(yīng)力集中情況。由計算結(jié)果可知，排氣歧管大部分區(qū)域的熱應(yīng)力小于250MPa（材料的屈服極限），滿足工程要求。但是在歧管的加強(qiáng)筋位置，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其值超過了材料的屈服極限。這主要是由于加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)特征所導(dǎo)致的，建議取消加強(qiáng)筋，改善局部應(yīng)力集中。

圖12 排氣歧管熱應(yīng)力分布

圖13 加強(qiáng)筋區(qū)域的局部應(yīng)力

4 結(jié)論

（1）利用模擬仿真技術(shù)可以詳細(xì)觀測排氣歧管流動、傳熱、以及固體材料的熱應(yīng)力分布情況，可為排氣歧管的結(jié)構(gòu)合理性評估及優(yōu)化提供有力的支持。

（2）排氣歧管的熱應(yīng)力分析，并不是孤立的計算過程。此計算涉及一維熱力學(xué)、三維流動、傳熱以及固體熱應(yīng)力分析等多個物理過程。

（3）經(jīng)過計算分析，排氣歧管在高溫?zé)彷d荷下，大部分區(qū)域的熱應(yīng)力低于材料的屈服極限，滿足工程要求。僅在加強(qiáng)筋位置存在局部較高應(yīng)力點(diǎn)，建議取消加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。

[1] 周龍保,劉巽俊,高宗英.內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版 社,2005.

[2]FUD,HUANG D,JUMA A, et al. Numerical simulation of thermal stress for a liquid-cooled exhaust manifold[J].Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 2009,1:031010.

[3] 陳純,馬力,鄧基峰.排氣歧管總成熱應(yīng)力分析及溫度場試驗驗證［J］.汽車零部件,2012（10）:66-76.

[4] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004: 124-126.

[5] 趙陽.基于仿生的汽車排氣歧管溫度場及振動特性分析[D］.西安:西安理工大學(xué),2009.

Simulation and analysis of exhaust manifold thermal-stress for diesel engine, genset

Wang Jun, Liu Peiyong, Wang Xingguo

（Jiangsu Kangwo Power Technology Co., Ltd., Jiangsu Kunshan 215300）

The being studied diesel engine which used as genset in power stations is a heavy duty diesel engine with V shape and big displacement. Due to the optimization and upgrading of the engine, there’re some design changes in its structure. In order to ensure the reliability of the engine, the strength of the exhaust manifold should be verified and analyzed under the high temperature load. The simulation technology is used on the analysis of exhaust manifold，The simulation includes multiple physical processes, such as, engine performance, flow, heat transfer and stress-strain. Finally, the distribution of heat stress of exhaust manifold was obtained. Through evaluation, the thermal stress in most areas of the exhaust manifold is less than the yield limit and meets the engineering requirements. However, there exists local stress concentration in the reinforcing rib area, and it is suggested to be eliminated.

Exhaust manifold; Thermal-stress; V-type diesel engine

B

1671-7988(2018)18-123-04

U467

B

1671-7988(2018)18-123-04

CLC NO.: U467

王軍，就職于江蘇康沃動力科技股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.042