基于ANSYS的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管流熱固耦合性能分析

摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管運(yùn)行在高低溫交變載荷下局部存在熱應(yīng)力集中引起塑性形變，易產(chǎn)生疲勞破壞，影響使用壽命。運(yùn)用ANSYS workbench模塊對排氣歧管進(jìn)行了流熱固耦合性能分析，通過對高溫高壓廢氣流動(dòng)模擬得出排氣歧管的管道流場、應(yīng)力場和溫度場，確定了排氣歧管塑性形變集中位置，驗(yàn)證了排氣歧管設(shè)計(jì)，同時(shí)對排氣歧管結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：ANSYS；排氣歧管；流熱固耦合

中圖分類號(hào)：U464" 收稿日期：2023-09-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.006

1 前言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)通常在中高速運(yùn)行，可燃混合物在發(fā)動(dòng)機(jī)中燃燒做功后產(chǎn)生的廢氣通過排氣歧管、三元催化以及消音器排放到大氣中。由于排氣歧管內(nèi)外側(cè)較大的溫度梯度，使得排氣歧管產(chǎn)生了極不均勻的熱應(yīng)力分布［1］。排氣歧管作為發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放的主要部件，運(yùn)行在高低溫交變載荷下會(huì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中而引起的塑性變形，易產(chǎn)生局部裂縫。因此，熱應(yīng)力和熱載荷會(huì)導(dǎo)致排氣歧管壽命下降。

對于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的流體場、溫度場以及應(yīng)力場的流熱固耦合性能，在近些年有不少學(xué)者進(jìn)行了研究?？滴拿鳎?］研究真空泵在入口壓力、轉(zhuǎn)速對泵容積效率、排氣溫度的影響；孔德遜［3］研究雙螺桿壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子橡膠涂層，考慮壓縮機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的壓力場和溫度場，對壓縮機(jī)進(jìn)行多場耦合數(shù)值分析，驗(yàn)證橡膠涂層轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特性；蘇荊攀等［4］對LNG領(lǐng)域的超低溫球閥進(jìn)行了流熱固耦合仿真試驗(yàn)，對超低溫球閥的溫度和應(yīng)力進(jìn)行分析，得出了閥座上結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的位置容易產(chǎn)生應(yīng)力集中和閥體內(nèi)表面上的等效應(yīng)力要大于外表面。

本文主要以某款賽用四缸發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管作為研究對象，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的布置形式重新對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用ANSYS workbench模塊分析該款發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管的流熱固耦合性能，并對高溫高壓廢氣流動(dòng)進(jìn)行模擬，得出排氣歧管的管道流場、應(yīng)力場和溫度場，同時(shí)分析確定了排氣歧管塑性形變集中位置，對排氣歧管設(shè)計(jì)進(jìn)行了驗(yàn)證，對排氣歧管結(jié)構(gòu)性能也開展了研究工作。

2 流-熱-固耦合分析理論

諸多工程實(shí)踐中普遍存在流體和結(jié)構(gòu)相互作用而產(chǎn)生熱量的情況，流體、溫度和固體三個(gè)物理場互相影響（圖1），流體的壓力會(huì)引起固體的形變，而固體應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致流體域產(chǎn)生流場變化，固體的應(yīng)變與流體的的熱傳導(dǎo)則會(huì)引起載荷的變化等。因此，在工程分析中往往忽略了流體、溫度、固體等多個(gè)物理場疊加耦合的相互影響與熱量傳遞。多個(gè)物理場相互疊加的問題也稱為多場耦合問題［5］。隨著計(jì)算算法的快速發(fā)展，有限元分析可以從單場轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄨鲴詈戏治?，將多個(gè)物理場用迭代求解的方法求解耦合問題，綜合各個(gè)物理場之間的干擾影響，使有限元分析結(jié)果更趨近于工程實(shí)踐。

3 流-熱-固耦合系統(tǒng)模型建立

本文針對排氣歧管進(jìn)行流熱固多場耦合分析。排氣歧管的工作環(huán)境苛刻，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過程時(shí)不僅受到機(jī)械應(yīng)力的影響，還受到高溫廢氣流動(dòng)造成熱負(fù)荷產(chǎn)生熱應(yīng)力的影響［6］。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高溫廢氣會(huì)通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞到排氣歧管的管內(nèi)壁面，造成排氣歧管壁面存在溫度差異，產(chǎn)生熱應(yīng)力。傳熱過程中，熱通量與溫度場在固體壁面變化，是因?yàn)榕艢馄绻軓U氣熱量在快速流動(dòng)而導(dǎo)致的溫度場變化，因此需要考慮的流體、溫度、固體之間的相互作用與影響。

為此，本文流-熱-固耦合采用三個(gè)物理場直接耦合的方法（圖2），將多個(gè)物理場放到同一方程矩陣中求解。運(yùn)用有限元分析ANSYS workbench中的幾何模塊Geometry、流體模塊Fluent （with Fluent Meshing）、熱分析模塊steady-state Thermal和靜態(tài)固體結(jié)構(gòu)模塊Static structural進(jìn)行耦合場分析。先通過排氣歧管的內(nèi)部流體分析，得到流體域與固體域的溫度場與壓力場。繼而將流體分析得到的溫度放在熱分析模塊中求解該歧管的溫度場，完成流-熱耦合過程，再將流體分析與熱分析耦合得到的壓力場與溫度場作為邊界條件，映射到靜態(tài)固體結(jié)構(gòu)模中求解排氣歧管的熱應(yīng)力分布與應(yīng)變分布，完成流-熱-固三場耦合分析，繼而確定影響歧管塑性形變的位置。

4 排氣歧管流-熱-固耦合分析

4.1 內(nèi)流場求解

發(fā)動(dòng)機(jī)高溫廢氣在排氣氣管內(nèi)流動(dòng)要避免進(jìn)行熱量的交換，因此排氣歧管需要有較好的結(jié)構(gòu)流動(dòng)性。本分采用ANSYS workbench中的流體模塊Fluent （with Fluent Meshing）進(jìn)行內(nèi)流場分析，先在SC Geometry模塊中進(jìn)行幾何模型處理，以體積抽取生成內(nèi)部流體域。為后續(xù)分析方便，在SCM中提前設(shè)置分組，設(shè)定4個(gè)廢氣入口，分別為Int1、Int2、Int3、Int4，出口為out，壁面為wall。將設(shè)定好的幾何模型導(dǎo)入Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將排氣歧管的入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口。邊界層設(shè)置3層，最小尺寸為0.3 mm，增長率為1.2，最終生成58萬網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分完成后的剖面視圖如圖3所示。

排氣歧管各個(gè)支管的高溫廢氣相對獨(dú)立，配氣相位中的點(diǎn)火提前角對各支管的影響相對較小，因此各個(gè)支管可以當(dāng)作獨(dú)立排氣互不影響，因?yàn)榕艢馄绻軐儆跓峤粨Q與熱傳導(dǎo)，所以采用能量守恒方程：

[?E?t+?E+pμ=pFμ+?μτ+?k?T+pq]

式中，[p]為氣體流體密度；[μ]為氣體速度；F為質(zhì)量力；τ為黏性力。

將前面已經(jīng)做好的前處理模型切換到流體求解模式，設(shè)定k-omega（2 eqn）黏性模型為SST，流體材料設(shè)定為不可壓縮的空氣，固體為排氣歧管的材料304不銹鋼。

流體域入口邊界條件：參照某款發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)，質(zhì)量流為0.12 kg/s，溫度為600 K。

流體域出口邊界條件：出口為壓力出口，壓力為0 Pa，溫度為300 K。

系統(tǒng)壁面邊界條件：設(shè)定流體域壁面與排氣歧管內(nèi)壁面為耦合面［7］。

啟動(dòng)能量方程求解排氣歧管的流體情況，迭代次數(shù)設(shè)定300步，最終計(jì)算排氣歧管的內(nèi)流場的壓力云圖、溫度分布圖以及速度云圖，分別如圖4～圖6所示。

綜上云圖可知，入口處的壓力比出口處的壓力更大，歧管拐角處的壓力較直管處大，但整體壓力分布并未出現(xiàn)較大集中，在后續(xù)優(yōu)化歧管彎曲度時(shí)可以提高拐角的流暢度。從溫度云圖可以看出整個(gè)歧管溫度分布較為均勻，流體溫度與歧管固體結(jié)構(gòu)壁面溫度相近，也證明了直接耦合分析歧管的有效性。從速度云圖可以看出，出口處速度較入口速度較快。綜合三種云圖可以得出，設(shè)計(jì)四出二出一的排氣歧管結(jié)構(gòu)可行性，后期在結(jié)構(gòu)流暢度下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 溫度場求解

排氣歧管的能量隨固體進(jìn)行熱傳導(dǎo)，能量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞。本文溫度場求解采用steady-state Thermal熱分析模塊，從熱通量和體積溫度去分析排氣歧管。設(shè)置邊界條件環(huán)境溫度為300 K，將流體域分析計(jì)算得到的歧管內(nèi)壁面溫度分布云圖的數(shù)據(jù)導(dǎo)入溫度場中計(jì)算，使耦合分析數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，分別得到歧管熱通量云圖和體積溫度云圖，分別如圖7、圖8所示。

根據(jù)分析云圖可以得出，由于排氣歧管氣體流速快，廢氣又為高溫廢氣，所以隨著廢氣熱量和流速增多，導(dǎo)致內(nèi)外側(cè)壓力有溫差，廢氣的熱交換效率會(huì)降低；而排氣歧管的外壁面溫度較高，特別是四出二彎道處和二出一彎道處的溫度較高，出口處法蘭附近的溫度較為集中，大量的熱量積累則有可能導(dǎo)致該處的熱應(yīng)力較大，該處又與三元催化器等直接接觸，存在較大的接口咬合力，進(jìn)一步加大熱疲勞的現(xiàn)象產(chǎn)生。為此在優(yōu)化中需要對該處進(jìn)行加厚處理，或者更改咬合結(jié)構(gòu)。

4.3 應(yīng)力場求解

排氣歧管的熱應(yīng)力計(jì)算需要考慮內(nèi)外部因素，歧管在發(fā)動(dòng)機(jī)工作廢氣的影響下不同位置的熱負(fù)荷也不相同。高溫高熱處受熱結(jié)構(gòu)膨脹較大，低熱區(qū)則熱變形較小，外界的環(huán)境溫度也較為多變，導(dǎo)致內(nèi)外溫差較大會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力變形，同時(shí)還受歧管法蘭固定的作用力下，限制歧管結(jié)構(gòu)固體屬性形變，則產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力集中。因此本文采用固體熱傳導(dǎo)的方程計(jì)算，傳熱方程如下：

[?μ?t=k?2μ?x2+?2μ?y2+?2μ?z2=k（μxx+μyy+μzz）]

式中，[?μ]/[?t]為溫度對時(shí)間變化率；[μxx]、[μyy]、[μzz]為溫度的二階導(dǎo)數(shù)；k為材料熱擴(kuò)散系數(shù)。

本文固體應(yīng)力分析采用Static structural靜態(tài)固體結(jié)構(gòu)模塊，將排氣入口處的4個(gè)法蘭和出口處法蘭固定，同時(shí)將流體域分析和溫度場分析得到的數(shù)據(jù)映射到應(yīng)力場求解，可以做到流熱固直接耦合的分析，最終求解得到的應(yīng)力云圖和等效位移云圖分別如圖9、圖10所示。

根據(jù)分析云圖可以得出，最大形變?yōu)?.2578 mm，發(fā)生在四出二歧管結(jié)合處，最大應(yīng)力為239.45 MPa，發(fā)生在排氣歧管出口處的法蘭下部，從而可以得出排氣歧管的熱應(yīng)力集中在熱量積累處的結(jié)構(gòu)熱膨脹和咬合處。

5 結(jié)語

通過對排氣歧管流-熱-固耦合的分析，在內(nèi)流場、溫度場和應(yīng)力場求解綜合得出以下結(jié)論：排氣歧管的溫度大多集中在拐角結(jié)合處和結(jié)構(gòu)咬合處，由于熱量積累導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱膨脹和熱應(yīng)力集中，容易導(dǎo)致這些部位易產(chǎn)生熱疲勞和塑性形變。因此本文分析驗(yàn)證了排氣歧管四出二出一結(jié)構(gòu)的合理性，也通過分析得知應(yīng)力主要集中位置，研究結(jié)論可為后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能的研究分析提供參考。

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作者簡介：

倪小堅(jiān)，男，1993年生，工程師，研究方向?yàn)槠嚱Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與CAE技術(shù)。