文档介绍：汽油机排气歧管热负荷分析 作者:无锡油泵油嘴研究所郭立新 目前,内燃机正朝着大功率、轻重量的方向发展,其强化程度不断提高。强化发动机的热负荷是其研制过程中的关键问题之一。排气歧管是发动机的主要受热零件,其与高温燃气直接接触,温度较高,工作环境十分恶劣,特别是由于高温和温度分布不均匀而产生的热应力的反复作用往往形成热疲劳裂纹,造成其破坏。因此对发动机排气歧管的热负荷分析研究是至关重要的。流热耦合法不依赖于温度场实测结果就可以得到较精确地温度场信息,且其热边界条件是通过CFD模拟出来的,更接近传热问题的实质。目前此方法在国内还处在应用发展阶段。本文使用CD-adapco公司专业的CFD分析软件——STAR-CD完成。计算流程排气歧管CFD-FE耦合法计算过程见图1。首先使用BOOST软件计算出排气歧管内流场的进出口边界条件;然后使用STAR-CD计算排气歧管瞬态内流场(曲轴转角为0~720°CA),得到排气歧管内壁面瞬态热边界条件,再用时间平均方法计算出内壁面热边界条件的平均值;然后再模拟发动机台架试验的稳态外流场,得到排气歧管外壁面热边界条件;随后利用FEA软件计算出排气歧管表面的温度场分布。然后使用计算的排气歧管表面温度场分布修正CFD软件分析的边界条件,通过多次迭代计算,得到排气歧管稳定的温度场,并计算其热应力、热变形。图1计算流程排气歧管内流场计算模型排气歧管内流场流体计算网格见图2,内壁近壁面处增加了附面层网格。图2内流场计算网格内流场计算采用瞬态模式,壁面区采用标准壁面函数,湍流模型选用高Reynolds模型。排气歧管内流场计算的边界条件:工况为发动机额定工况,曲轴转角范围为0~720°CA。要准确确定排气歧管内流场进出口边界条件需对特定机型及工况进行模拟,本文采用BOOST软件模拟了缸内工作过程,由此得出排气歧管不同曲轴转角进口流量和温度(见图3~4)。出口给静压,其余为壁面边界条件。图3排气歧管入口排气流量随曲轴转角变化曲线图4排气歧管入口排气温度随曲轴转角变化曲线排气歧管外流场计算模型外流场网格划分采用应用比较广泛的非结构化四面体网格(见图5),外流场和发动机接触的表面增加了附面层网格。由于外流场中和排气歧管外壁接触的表面是计算分析的重点,在网格的划分过程中,为了压缩网格数目,对其进行了细化。而其他部分,则采用了相对较粗的网格。图5外流场计算网络外流场计算采用稳态模式,壁面区采用标准壁面函数,湍流模型选用高Reynolds模型。排气歧管外流场计算的边界条件:入口为风机出口,给定入口流量和温度;模型的四周为对称边界条件;出口给定静压;和排气歧管接触的表面给定壁面边界条件。图6~7为720°CA范围内进行时间平均得到排气歧管内壁面的平均对流换热系数和温度。图8~9为排气歧管外壁面的对流换热系数和温度。图6排气歧管内壁面平均对流换热系数图7排气歧管内壁面平均温度图8排气歧管外壁面对流换热系数图9排气歧管外壁面温度温度场计算三维瞬态温度场微分方程如下:式中:kx、kY、kz为材料各方向导热系数;T为温度;ρ为材料密度;Q为内部热源密度。排气歧管温度场计算采用第三类边界条件后,方程简化为如下形式:式中:α为换热系数;nx、nY、nz为边界外法线方向余弦;To为边界处介质温度。CFD计算的排气歧管内外热边界条件将加载到排气歧管有限元模型上,通过有限