基于Fluent與Abaqus的中冷管道氣流沖擊計(jì)算

霍小臭，李艷君，袁帥，潘效龍

濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261000

0 引言

為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率，同時(shí)滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為目前發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的主流方向。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)單位排量的功率和扭矩不斷提高，渦輪增壓壓力也在不斷提高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的要求也越來(lái)越高，但目前針對(duì)增壓系統(tǒng)的研究多數(shù)集中在增壓器或中冷器，針對(duì)進(jìn)氣管路的研究較少。

本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由于氣流沖擊造成的中冷管和支架變形開(kāi)裂、膠管脫落等問(wèn)題，采用CFD分析軟件Fluent，對(duì)某型號(hào)增壓中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷管流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)映射數(shù)據(jù)將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，對(duì)設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析，為后續(xù)管路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。

1 中冷管路內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算

1.1 分析模型及網(wǎng)格

模型采用某增壓中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷前管路，管路整體材質(zhì)為不銹鋼，其模型如圖1所示。

圖1 中冷前管路模型

本文提取中冷管內(nèi)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，中冷管內(nèi)流道網(wǎng)格模型如圖2所示，網(wǎng)格總數(shù)為110萬(wàn)，內(nèi)流道近壁面處設(shè)置5層邊界層。

圖2 中冷管內(nèi)流道網(wǎng)格模型

中冷管中的氣體流動(dòng)計(jì)算采用的邊界條件來(lái)源于試驗(yàn)實(shí)測(cè)，在1 800 r/min的恒定轉(zhuǎn)速下，輸出功率由0快速加載至100%，通過(guò)中冷前管道的氣體流量、壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示。流體介質(zhì)采用空氣，空氣密度使用理想氣體模型，黏度采用分子動(dòng)力學(xué)模型，即空氣密度和黏度均隨壓力和溫度變化。

圖3 氣體流量、壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

1.2 計(jì)算結(jié)果

內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算采用瞬態(tài)計(jì)算，將圖3中的邊界條件以Profile文件的形式輸入Fluent軟件中，從而實(shí)現(xiàn)各進(jìn)出口邊界的溫度、流量隨時(shí)間變化。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-方程，壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，時(shí)間項(xiàng)采用一階隱式格式離散，壓力與速度耦合使用Simple算法。中冷管最大壁面切應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4所示，最大切應(yīng)力出現(xiàn)在加載1.3 s。

圖4 中冷管最大壁面切應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

選取最大壁面切應(yīng)力達(dá)到峰值的時(shí)刻，其壓力分布云圖如圖5所示，將壁面上的壓力分布導(dǎo)出，經(jīng)單位變換后用于接下來(lái)的Abaqus分析。

圖5 中冷管內(nèi)流道壓力云圖

2 中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算模型如圖6所示，主要包括中冷管道和固定中冷管的支架和U形螺栓。中冷管道采用STRI65殼網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸5 mm，其余部分采用C3D10網(wǎng)格，尺寸為1.5 mm，網(wǎng)格總數(shù)約70萬(wàn)個(gè)。

圖6 中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算模型

利用分析軟件Fluent計(jì)算得到的中冷管內(nèi)壁的壓力分布映射至Abaqus，整體模型與管道口處的載荷邊界如圖7所示。邊界條件顯示壓力，方向箭頭垂直于管道內(nèi)壁面指向管道外側(cè)。

圖7 整體模型與管道口處的載荷邊界

2.2 中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中，中冷管內(nèi)高壓和高速的空氣對(duì)中冷管道壁面產(chǎn)生較大的沖擊，造成較為顯著的應(yīng)力和形變。本文計(jì)算了氣壓和氣流沖擊作用下中冷管的應(yīng)力和形變。中冷管應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 中冷管應(yīng)力分布

由圖8可知，中冷管和支架本身并不存在應(yīng)力過(guò)高的區(qū)域，但固定中冷管的U形螺栓根部存在較大面積的應(yīng)力過(guò)高，已經(jīng)超出材料的屈服極限，如圖9所示。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)快速加載過(guò)程中，U形螺栓的根部可能出現(xiàn)開(kāi)裂失效，造成中冷管道失去約束，進(jìn)而造成中冷管變形或膠管開(kāi)脫。

圖9 U形螺栓應(yīng)力

中冷管變形量如圖10所示。由圖可以看出，最大變形量為0.74 mm，中冷管下端變形量顯著高于上部分。

圖10 中冷管變形量

3 改進(jìn)方案

通過(guò)上述計(jì)算分析可知，U形螺栓強(qiáng)度明顯不足，為此將6 mm的U形螺栓改為8 mm，重新進(jìn)行上述計(jì)算分析。加粗后的U形螺栓應(yīng)力如圖11所示。由圖可以看出，加粗U形螺栓后仍存在較大面積的應(yīng)力超標(biāo)，說(shuō)明該改進(jìn)方法可行度較低。

圖11 加粗后的U形螺栓應(yīng)力

于是將管壁厚度由原來(lái)的1.5 mm增加至2 mm和2.5 mm，重新進(jìn)行計(jì)算分析。加厚管壁后U形螺栓應(yīng)力如圖12所示。由圖可以看出，當(dāng)管壁厚度增加至2 mm時(shí)，不存在應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域；當(dāng)管型厚度增加至2.5 mm時(shí)，U形螺栓上的應(yīng)力進(jìn)一步減小，但減小幅度不大。

圖12 加厚管壁后U形螺栓應(yīng)力

圖13為加厚管壁后的中冷管變形量。由圖可以看出，管壁厚度為2 mm時(shí)，中冷管最大變形量為0.41 mm；管壁厚度為2.5 mm時(shí)，最大變形量為0.36 mm。隨著管壁加厚，中冷管道變形量顯著減小。綜上所述，對(duì)于U形螺栓開(kāi)裂、斷裂問(wèn)題，通過(guò)增加管壁厚度可以得到顯著改善。

圖13 加厚管壁后的中冷管變形量

4 結(jié)論

(1)使用Fluent軟件對(duì)中冷管道的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)計(jì)算，并通過(guò)與Abaqus的耦合，對(duì)中冷管內(nèi)氣流沖擊引起的應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

(2)通過(guò)計(jì)算，最大應(yīng)力出現(xiàn)在U形螺栓根部，且超過(guò)了材料的屈服極限，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)，最大變形量出現(xiàn)在中冷管下端。

(3)通過(guò)加粗U形螺栓，對(duì)螺栓根部應(yīng)力過(guò)高情況的改善效果不明顯；通過(guò)增加管壁厚度，可顯著改善該問(wèn)題，為今后的設(shè)計(jì)和故障解決提供了思路。