发动机排气歧管三维建模及流通特性分析

发动机排气歧管三维建模及流通特性分析学 院专 业班 级学 号姓 名指导教师负责教师I摘 要随着汽车市场日益壮大，人们的购车理念也愈加成熟，对于汽车的各项性能指标越来越重视，尤其是汽车的动力性和经济性。作为汽车最重要的部件发动机，其性能的优劣将对汽车动力性能和经济性能产生决定性的影响。而作为发动机重要零部件之一的排气歧管，它的气体流通性能也会对整机的输出功率和循环热效率产生显著影响。为了分析某型发动机排气歧管的气体流通特性，这里采用有限元分析法，利用 CFD 软件 fluent 对排气歧管气体模型进行仿真，从而估测实际流体在排气歧管内的流动状态，并以此来判断排气歧管的气体流通特性。结果表明，排气歧管的转弯会对流场均匀性造成影响，但该排气歧管流通性符合要求。关键词：排气歧管，气体模型，流通特性，fluentIIThree-dimensional modeling of the exhaust manifold and the gas flow characteristicAbstractNowadays, the car industry has shown a momentous growth. Car buyers become more cautious and careful to make a final decision. Before their purchase, theyd like to check out the cars performance as well as its every single indicator, especially the power and economy. Its known that a cars engine can make a great difference in a cars total performance. Therefore, exhaust manifold, part of a cars engine, undoubtedly have its crucial stake in determining the engine performance. Its gas flow can exercise a remarkable influence on the engines output power and its cycle thermal efficiency. In this paper, finite element analysis was adopted to explore the characteristics of the gas flow in the exhaust manifold. With Fluent (a CFD software) we created a gas model, which simulates the situations in the exhaust manifold, to estimate the actual gas flow. As a result, the gas flow in the exhaust manifold can be better analyzed and understood.The results show that, the turning of the exhaust manifold has an effect on the uniformity of gas flow, but this exhaust manifold meets the requirements on gas flow.Keywords: Exhaust manifold, gas model, flow, fluentIII目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 国内外研究成果 .11.3 本文研究对象及内容 .22 背景及概述 .32.1 课题背景 .32.2 有限元法及计算流体力学（CFD） .32.2.1 概论 .32.2.2 CFD 求解流体问题的一般过程 .32.3 计算流体力学软件 fluent 概要 .43 排气歧管有限元物理模型 .53.1 排气歧管几何模型 .53.1.1 排气歧管三维模型建立 .53.1.2 排气歧管网格划分 .73.2 排气歧管材料 .93.3 有限元边界条件 .93.3.1 发动机实验数据 .103.3.2 气体入口处的边界条件 .113.3.3 气体出口处的边界条件 .123.3.4 壁面边界条件 .133.3.5 操作环境设置 .134 fluent 模拟过程 .144.1 控制方程 .144.1.1 连续方程 .144.1.2 动量方程 .144.1.3 能量方程 .144.2 湍流模型 .15IV4.3 求解方法 .165 计算结果及分析 .175.1 排气歧管内各支管流场分布 .175.1.1 支管 1 计算结果 .175.1.2 支管 2 计算结果 .195.2 结果分析 .215.3 结论及结构优化方向 .215.4 工作展望 .226 致谢 .23参考文献 .2401 绪论1.1 引言随着计算机技术的迅速发展、计算流体力学的日益成熟，CFD 软件已经成为解决各种现实流体问题的重要辅助手段。在计算流体力学没有发展起来的年代，仅仅依靠传统理论流体力学来解决现实中各种复杂流场问题实现起来非常困难，而有了CFD 软件的辅助就容易的多。而汽车排气歧管内的流场分析是是排气歧管的研究热点之一，其内部流场复杂，并且对于发动机环保性和动力性有着直接的影响，仅依靠传统理论流体力学难以计算其内部速度场、压力场。然而采用有限体积法、有限差分法、特征线法等方法，通过各种 CFD 软件，如：以一维流动为动力学基础的GT-power 和 BOOST、CFD 软件 FIRE 和 FLUENT，对排气歧管内的流场实现起来就容易的多了。1.2 国内外研究成果在对发动机排气歧管的研究中，国外的学者起步较早，并取得了许多重要的研究成果。2002 年，Kresovic 等人通过 FLUENT 得到了流体分布和热传递的详细信息，并将仿真结果与试验数据相互对比，发现两者有较好的吻合。2003 年，Milanovic则指出排气歧管性能对于发动机整机性能的重要影响，研究了水冷排气歧管应用与汽油、柴油发动机上的可行性，并通过 FLUENT 对排气歧管进行了流体分析，试验数据也证明了仿真结果的正确性。Kessler 等人在忽略催化转化器中的化学反应的情况下，使用流体分析软件对带有催化转换器的排气歧管结构进行了分析，也得到了合理的流场分布图。2005 年，Ranganathan R 等人通过大量的各类型试验数据，建立了各参数之间的联系，并根据这种联系成功预测了排气歧管内的温度场的分布情况。2007 年， Park 等人针对零排放的汽车四缸发动机，通过理论和实际相结合的方法，研究了紧耦合式排气歧管的流场分布，改善了脉冲气流的均匀性。2008 年，Buckland 等人对可变气门正时涡轮增压发动机的排气歧管压力进行了研究，由于传统的降阶线性观测器需要采取太多数据，于是结合简单的提前补偿，采用了新的非线性的静态估计方法。国内的汽车行业相对而言起步较晚，但是国内众多学者在消化吸收国外的先进1技术水平后，也取得了长足的进步和重要的研究成果。2006 年，广西玉柴股份公司的李湘华等人，通过 CFD 软件分析了柴油机排气歧管的内部流场，并根据计算结果进行优化，使排气歧管模型内腔容积减小，管内部分漩涡消失，流通阻力减小，各缸流量均匀性得到提高。2010 年，郑美茹采用 FLUENT 对捷达汽车发动机的 2V 排气歧管进行了流场分析，得到了其内部流场分布图，并观察找出了回流现象发生的部位，对其结构进行优化后有效减少了回流现象。2011 年，黄泽好等人利用ABAQUS 软件计算出了带有催化转换器的排气歧管中各单管和催化转换器前端截面的流速分布，并根据结果对排气歧管结构进行优化，改进后的排气歧管在流量均匀性、减小流动阻力、减少涡旋、气流噪音和能量损失方面有着显著的成效。2013 年，刘晓宇利用 GT-power 和 ANASYS 对带催化转换器的排气歧管结构进行了振动性能、流动性能和热疲劳的全面分析，得到排气歧管的使用性能和寿命性能，为改善排气歧管的结构设计提供了一种统一而全面的设计方法。1.3 本文研究对象及内容本文将利用 Fluent 软件对排气歧管内部速度、压力流场分布的均匀性和流量进行分析。并根据结果提出对该排气歧管结构的优化方案。具体内容包括：1.前期理论学习（1）查阅国内外对于排气歧管研究的有关论文文献，了解排气歧管研究的主要内容。（2）学习理论流体力学和计算流体力学方面相关内容，掌握其基本知识。2 仿真模型建立（1）参考现有排气歧管结构及尺寸，利用 UG NX9.0 建立排气歧管三维模型。（2）利用 Fluent 前处理软件 Gambit 对排气歧管三维模型划分网格。（3）设定边界条件及求解器利用 Fluent 计算排气歧管流场分布。3 分析及优化（1）对计算结果进行流通性分析。（2）提出对排气歧管结构的优化方案。22 背景及概述2.1 课题背景汽车排气歧管是将发动机工作时产生的燃烧后废气从气缸内顺利派出的重要零件，其结构是带有分歧的管路，作用是各歧管与发动机各气缸相连接，引导气缸内热力循环高温废气排出发动机。发动机工作时气缸内产生的高温废气将先通过排气歧管再流经三元催化器，经催化处理后再排向大气环境。如果排气歧管内流场不均，将影响三元催化剂的有效催化面积，从而影响三元催化器的效率，环保性得不到满足。同时，流场不均也会影响氧传感器的检测精度，从而产生测量误差，给 ECU 输入不精确的信号，从而导致 ECU 不能将空燃比调节至最佳，影响发动机不能满足各种工况所要求的性能。流场畅通性不好亦将会增大排气阻力，增大活塞排气压力，增加热力循环负功，从而降低发动机输出功率和循环热效率，影响发动机动力性能和经济性能。所以发动机的前期设计中，排气歧管的流通特性分析极其重要。2.2 有限元法及计算流体力学（CFD）2.2.1 概论工程计算中，往往需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，用计算机辅助求解。而计算流体力学就是将有限元方法应用到流体力学中，通过计算机和数值方法来求解流体力学的控制方程，对流体问题进行模拟和分析。目前市场上出现了许多商业 CFD 软件，对解决各种流体问题提供了重要的辅助。排气歧管 CFD 计算过程可以看作是在流体三大基本方程（连续性方程、动量方程、能量方程）控制下对歧管内高温气体流动的数值模拟。2.2.2 CFD 求解流体问题的一般过程（1）建立控制方程（2）确定边界条件和初始条件（3）划分计算网格3（4）建立离散方程（5）离散初始条件和边界条件（6）给定求解控制参数（7）求解离散方程（8）显示计算结果2.3 计算流体力学软件 Fluent 概要本文采用的软件是 anasys 下的 fluent 模块，Fluent 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在美国的市场占有率达到了 60%，它具有非常丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，凡是和流体、热传递和化学反应有关的工业均可使用。它涵盖的主要领域包括航空航天、汽车设计和石油天然气方面。Fluent 软件包含基于压力的分离求解器、基于压力的耦合求解器、基于密度的隐式求解器，其求解器的数量是同类软件中最多的，多求解器技术使 Fluent 软件可以用来模拟从不可压缩到高超音速范围内的各种复杂流畅。同传统 CFD 计算方法相比，Fluent 具有更好的稳定性，计算结果与实验符合较好。其适用范围广，可应用于从可压缩流到不可压缩流、牛顿流体和非牛顿流体、亚声速到超高声速、单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域。Fluent 也有较高的计算精度，可以达到二阶精度。43 排气歧管的有限元物理模型3.1 排气歧管几何模型有限元分析的第一个步骤是建立所要分析结构的 CAD 几何模型。几何模型的建立需参照物体的真实结构，但不是完美地将其复制。如果将某些对整体分析结果影响不大的结构忽略不计、将模型作适当的几何结构简化，那么便能在保持结果变化不大的情况下，省却许多人力和计算机计算时间。故本例中将根据某些现有的排气歧管，参考其尺寸并作适当修改，对其结构作适当简化，建立所需的排气歧管气道的几何模型。3.1.1 排气歧管三维模型建立随着计算机技术的飞速发展，三维 CAD 软件层出不穷，且功能日益强大。如今市场上主流的三维建模软件包括 Proe、Catia、AutoCad 和 UG 等，其中 UG 具有较为优秀的机械设计和制图功能，且拥有出色的操作逻辑和人