基于流固耦合的水冷排氣管結(jié)構(gòu)強度仿真分析

金玉山，王先鋒，王新權(quán)

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

高速大功率柴油機因應(yīng)用范圍的特殊性和使用條件的限制，其設(shè)計制造的技術(shù)難度極大。對于特殊用途高速艇而言，其在設(shè)計方面有一個很重要的要求，即隱身性，為降低被發(fā)現(xiàn)的概率，要盡可能地減少其排氣噪聲和紅外輻射［1］；同時，因人員需在密閉的艙室內(nèi)工作，對柴油機的熱輻射有嚴格的限制。柴油機的熱輻射主要來自增壓系統(tǒng)（尤其是排氣管），當前傳統(tǒng)的帶隔熱包覆的排氣管已無法滿足對柴油機，尤其是對大功率密度柴油機熱輻射的控制要求，需采取其他措施控制排氣管的熱輻射。本文采用基于水冷卻方式的排氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過仿真分析驗證該水冷排氣管設(shè)計的合理性，為水冷排氣管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可靠性設(shè)計提供參考。

1 水冷排氣管結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 水冷技術(shù)分析

降低柴油機排氣管表面溫度主要有隔熱包覆、采用2 層水冷壁和采用3 層水冷壁等3 種方式，其中隔熱包覆是最簡單的一種方式，但易變形、脆化，拆裝之后需更換，且不合格的隔熱產(chǎn)品可能含有石棉、汞等重金屬有害物質(zhì)。采用隔熱包覆方式之后排氣溫度仍很高，導(dǎo)致排氣管承受較大的熱應(yīng)力［2］。

水冷式排氣管的原理是通過在原型管路上布置1 層水套達到降低表面溫度的目的。后續(xù)演變出3 層水冷壁排氣管，在結(jié)構(gòu)形式和熱量管理方面進行了優(yōu)化。增壓柴油機的燃氣從排氣管流入增壓器，推動增壓器做功，2 層水冷結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)表面低熱輻射，內(nèi)管為高溫排氣，外管為低溫冷卻水，通過鑄鐵排氣管直接換熱，冷卻水會帶走很多排氣能量，因此當排氣到達增壓器時，推動增壓器的效率下降，導(dǎo)致柴油機的效率下降；3 層水冷壁排氣管在2 層水冷壁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了中間層，間隙層內(nèi)為氣體，而氣體的換熱系數(shù)顯著低于鑄鐵排氣管，減少了排氣到冷卻水的散熱，更多排氣能量到達增壓器，推動增壓器葉輪旋轉(zhuǎn)做功，使增壓器的效率升高，柴油機的經(jīng)濟性增強，但該排氣管內(nèi)的流道結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，冷熱變化的工作環(huán)境給排氣管的結(jié)構(gòu)強度帶來了一定的挑戰(zhàn)。MTU公司經(jīng)過多年的開發(fā)驗證，在MTU396 和4000 特殊用途柴油機上采用了水冷、氣隙隔熱3 層排氣管的設(shè)計方案，而我國暫未開展過此類排氣管的設(shè)計研究工作。上海船用柴油機研究所結(jié)合高速機的開發(fā)，對3 層水冷壁排氣管進行了研究。

1.2 單缸機水冷排氣管

考慮到目前尚未掌握該水冷排氣管技術(shù)，直接設(shè)計船用多缸柴油機水冷排氣管的成本和試驗風(fēng)險較高，首先試制單缸柴油機3層水冷排氣管試驗件。本文主要對該試驗件進行仿真分析。水冷排氣管流固熱耦合示意圖見圖1。排氣管左端用法蘭蓋悶住，右端與出口連接管連接。內(nèi)部分為冷卻水外層、中間氣隙層和中央高溫排氣層等3 層。中央高溫排氣層由2 段內(nèi)襯管組成，采用螺栓固定在排氣管上，中間設(shè)計熱膨脹間隙為4 mm。單缸機缸蓋與排氣管的安裝面上設(shè)置有排氣和冷卻水進口。柴油機排出的高溫氣體從缸蓋流入排氣管，通過內(nèi)部通孔進入內(nèi)襯，與進入中間氣隙層并從間隙流出的少量排氣匯合，從連接管排出；從柴油機缸蓋來的高溫淡水經(jīng)排氣管上的冷卻水進口進入外層，冷卻外壁面并從出口流出，降低排氣管外表面的溫度，從而減少外輻射。水冷排氣管采用6 個M12 螺栓固定在缸蓋上。考慮采用3 層水冷壁結(jié)構(gòu)之后，排氣管的質(zhì)量相比包覆隔熱方案大幅增加，法蘭蓋和出口管上設(shè)置有滑動支架，滿足承重需求。

圖1 水冷排氣管流固熱耦合示意圖

2 水冷排氣管流固耦合建模和邊界設(shè)置

目前對排氣管的研究主要針對的是排氣管內(nèi)部流體的流動計算［3］。從水冷排氣管的結(jié)構(gòu)中可看出，計算域包括固體和流體，固體與流體在交界面上會產(chǎn)生熱對流交換，流固耦合技術(shù)即可用于解決該問題。

通常情況下，流體與固體界面上的網(wǎng)格不同，彼此之間依靠約束方程連接在一起。采用網(wǎng)格映射技術(shù)允許求解流體與固體在網(wǎng)格不同情況下的耦合問題。將流體的節(jié)點映射到固體網(wǎng)格上，同時將固體網(wǎng)格節(jié)點映射到流體上［4］。本文在Workbench平臺上采用流固熱耦合分析方法完成整個計算任務(wù)。首先，對排氣流道進行瞬態(tài)計算，取排氣周期的整數(shù)倍進行時間平均，獲取與排氣管接觸的壁面循環(huán)平均表面溫度和換熱系數(shù)。其次，將排氣熱邊界映射到冷卻水流道，對冷卻水流道和排氣管固體結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)態(tài)計算，開展共軛傳熱分析。最后，將排氣管固體溫度邊界、冷卻水壓力邊界和排氣壓力邊界映射到結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計算模型中，施加重力、支撐和固定約束進行應(yīng)力和應(yīng)變計算。

2.1 流體網(wǎng)格劃分

高溫排氣通過入口進入排氣管內(nèi)部，沿排氣管和中間氣隙流動，并從出口排出。水冷排氣管安裝在缸蓋上，冷卻水出口豎直向上，便于將腔內(nèi)氣體和冷卻水帶入的氣體排空。取內(nèi)部排氣和冷卻水流體域進行分析，采用Fluent meshing劃分以六面體為核心的流場網(wǎng)格，設(shè)置5 層流動邊界層，見圖2。

圖2 排氣和冷卻水流體域CFD網(wǎng)格

2.2 排氣和冷卻水邊界

單缸機排氣管采用與整機邊界近似的排氣和冷卻水流動邊界。排氣流體工質(zhì)采用理想氣體，湍流模型為RANS中的RNG κ-ε模型，入口采用單缸機在額定工況下隨時間變化的質(zhì)量流量和溫度曲線，出口采用壓力出口。排氣管內(nèi)部排氣與其壁面之間存在對流換熱，壁面設(shè)置為無滑移壁面條件，熱邊界設(shè)置為對流邊界條件。采用液體水作為冷卻流動介質(zhì)，采用質(zhì)量流量進口和壓力出口。質(zhì)量進口流量為4.5 m3/h，進水溫度為75 ℃，進水壓力為0.39 MPa。由于存在流固耦合，流體與固體之間發(fā)生熱量傳遞，接觸面生成的interface設(shè)置為Coupled wall，只傳熱不傳質(zhì)。壓力與速度之間的耦合算法采用Coupling。

2.3 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

水冷排氣管與缸蓋采用6 ×M12 螺栓連接，仿真計算中將螺栓連接簡化為螺栓孔圓周綁定約束。單缸機水冷排氣管安裝示意圖見圖3。水冷排氣管裝配件為實體，采用連續(xù)體網(wǎng)格單元進行分析，采用四面體單元格類型進行統(tǒng)一的網(wǎng)格劃分。水冷排氣管裝配件有限元網(wǎng)格模型見圖4。

圖3 單缸機水冷排氣管安裝示意圖

圖4 水冷排氣管裝配件有限元網(wǎng)格模型

2.4 排氣管材料和邊界設(shè)置

與冷卻水接觸的排氣管選用鑄造工藝良好的材料QT400，接觸內(nèi)部高溫排氣的內(nèi)襯管、出口連接法蘭和法蘭蓋選用耐熱鑄鐵QTRSi4M0，彈性模量設(shè)置為1.7 ×105MPa。排氣管在工作過程中受到的載荷有溫度載荷、重力載荷、排氣壓力和冷卻水壓力。除了重力載荷，其他載荷均通過上述計算結(jié)果導(dǎo)入。為便于計算，對缸蓋螺栓固定約束進行簡化，將螺栓內(nèi)孔面定義為圓柱面約束，將螺栓孔的軸向自由度定義為自由狀態(tài)，將與缸蓋的安裝接觸面定義為無摩擦壁面約束軸向位移。排氣管的法蘭蓋和出口管均采用無滑移支撐。

3 仿真計算結(jié)果分析

3.1 排氣流動仿真分析

3 層水冷排氣管的設(shè)計要點是中間的氣隙層，重點檢查計算結(jié)果中氣隙層內(nèi)流體的流動狀態(tài)。圖5 為水冷排氣管內(nèi)氣體流動的速度矢量圖和流動跡線。從圖5 中可看出，排氣從歧管進入排氣管之后，流速很高，在拐彎處最高可達177 m/s。由于氣流在左端被法蘭蓋板擋住，端部區(qū)域內(nèi)的氣流很少，流速很慢，見圖5a中的圓圈區(qū)域。氣流進入氣隙層內(nèi)部之后，由于氣隙層間隙很小，氣流被堵塞，流速很慢，見圖5a 中的橢圓區(qū)域。從圖5b 中可看出，氣隙層內(nèi)氣流的流速很慢，流量很小。該氣隙層內(nèi)充滿氣體之后，氣體流動緩慢，形成較為恒定的氣隙層。從傳熱理論的角度分析，相比高溫排氣與冷卻水通過管壁直接換熱，氣體的傳熱系數(shù)遠小于液體，因此氣隙層內(nèi)排氣向外層冷卻水的傳熱系數(shù)大幅減小，可有效降低對外輻射熱量。排氣管向外的傳熱系數(shù)減小，下游增壓器對排氣的能量回收增加，排氣能量的利用率提高，柴油機的經(jīng)濟性增強。

圖5 水冷排氣管內(nèi)排氣流速分布和速度跡線

仿真計算中，換熱系數(shù)采用排氣周期整數(shù)倍的時間平均值，排氣管壁面換熱系數(shù)見圖6，設(shè)置輸出換熱系數(shù)和坐標系的脈譜，可將其作為下一步換熱計算的輸入條件。從圖6 中可看出，歧管位置和氣流旋轉(zhuǎn)路徑上排氣流速較快的區(qū)域，換熱系數(shù)也較大。

圖6 排氣管內(nèi)壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)分布云圖

3.2 冷卻水流動換熱仿真分析

冷卻水進入環(huán)形外層水腔之后，在初始速度和重力的作用下會螺旋前進，到達出口之后流出。當設(shè)計不合理時：若初始流速過慢而水腔過大，冷卻水不能旋轉(zhuǎn)，排出困難，在內(nèi)部形成流動死區(qū)，從而使換熱能力下降，產(chǎn)成局部高溫；若初始流速過快而進出口之間的距離過近，冷卻水可能直接從出口排出，內(nèi)部生成較多氣泡區(qū)域，形成穴蝕，并影響換熱，產(chǎn)生局部高溫。圖7 為冷卻水在排氣管內(nèi)的流動跡線，冷卻水在外層環(huán)形腔室內(nèi)充分旋轉(zhuǎn)，最高流速為4.5 m/s，最后從冷卻出口流出。

圖7 冷卻水在排氣管內(nèi)的流動跡線

高溫排氣對排氣管加熱，液態(tài)水使排氣管冷卻，二者之間進行共軛傳熱。在設(shè)置換熱系數(shù)時，將排氣的循環(huán)平均溫度和循環(huán)平均換熱系數(shù)映射到模型中，液態(tài)水的溫度和換熱系數(shù)會根據(jù)流動狀態(tài)自動計算，無需額外設(shè)置。圖8 為水冷卻排氣管溫度云圖。從排氣管溫度計算結(jié)果中可看出，非水冷的排氣出口管在高溫排氣加熱情況下達到熱平衡溫度482.85 ℃。水冷排氣管內(nèi)部的2 段襯管與排氣直接接觸，溫度也達到482.85 ℃。從內(nèi)部排氣層到中間間隙層，排氣管壁面溫度從482.85 ℃降到211.09 ℃，至水冷后的外壁面溫度僅75.22 ℃，表明冷卻換熱效果良好，小于80 ℃的設(shè)計要求。但是，由于歧管下半?yún)^(qū)域未設(shè)計冷卻水腔，固體溫度很高，存在較大的溫度梯度；法蘭蓋中心溫度也較高，同樣存在一定的溫度梯度，見圖8 中的橢圓區(qū)域。

圖8 水冷卻排氣管（軸向剖視）溫度云圖

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真分析

無論是排氣還是冷卻水，壓力載荷對材料的應(yīng)力和應(yīng)變的影響都很小，本文不再展開分析。計算采用單個載荷同時加載，得到包括重力和溫度載荷施加后的最終應(yīng)力和應(yīng)變計算結(jié)果見圖9。

圖9 水冷排氣管應(yīng)變和應(yīng)力計算結(jié)果

從應(yīng)變計算結(jié)果中可看出，進氣歧管存在較大的溫度梯度，具有較大的受熱膨脹力，這是產(chǎn)生應(yīng)變的主要作用力。由于固定了排氣管與缸蓋安裝面，排氣管在此約束作用下所受的力，超過向下的排氣管重力，產(chǎn)生向上翹曲的趨勢，最大應(yīng)變幅值為0.8 mm。同樣產(chǎn)生受熱膨脹作用的還有2 段排氣內(nèi)襯管，受熱膨脹之后間隙縮小1.456 mm。2 段內(nèi)襯管的設(shè)計間隙需大于熱膨脹量、2 個零件的加工公差和安裝誤差之和（3.456 mm），表明4 mm的設(shè)計間隙合理。由內(nèi)部冷卻水和排氣壓力產(chǎn)生的應(yīng)變很小，不再作重點分析。

選用GB/T 9437—2009《耐熱鑄鐵件》中的QTRSi4Mo.材料，其在室溫時的最小抗拉強度為520 MPa，在700 ℃時的抗拉強度減小為101 MPa。從計算結(jié)果中可看出，由于采用了水冷技術(shù)，降低了排氣管表面溫度，大部分區(qū)域的內(nèi)部應(yīng)力都很小，有利于延長排氣管的使用壽命。通過對計算結(jié)果進行分析可知，高溫排氣襯管、法蘭蓋和出口管零件上的最大應(yīng)力為94.2 MPa，出現(xiàn)在法蘭蓋板上，這是法蘭蓋中心溫度較高而周邊溫度較低，存在一定的溫度梯度引起的，但計算應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力110 MPa，較為安全。選用QT400-15材料的水冷排氣管零件，最大應(yīng)力出現(xiàn)在歧管法蘭4 個螺栓附近，這主要是因為進氣歧管存在很大的溫度梯度，計算的最大應(yīng)力為482 MPa，略高于材料許用應(yīng)力400 MPa，需進一步進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合3 層水冷壁排氣管的研制，介紹船用柴油機上排氣管的水冷技術(shù)，闡述單缸機水冷排氣管的結(jié)構(gòu)組成，著重分析流固熱耦合仿真計算的過程和結(jié)果，主要得到以下結(jié)論：

1）在3 層水冷排氣管設(shè)計中，中間可形成相對穩(wěn)定的氣隙層（見圖5）。由于氣體的傳熱系數(shù)遠小于液體，能有效降低對外層冷卻水的散熱，從而提高增壓器對排氣的能量利用，提高柴油機的經(jīng)濟性。

2）設(shè)計的3 層水冷排氣管的冷卻效果滿足低熱輻射要求，其外表面溫度基本小于80 ℃的設(shè)計要求，但進氣歧管存在局部高溫區(qū)域，需進一步對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3）水冷技術(shù)降低了排氣管表面溫度，大部分區(qū)域的計算應(yīng)力很小。存在的薄弱區(qū)域為歧管法蘭，原因是該位置存在很大的溫度梯度，建議對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加其壁厚。