内燃机排气歧管性能CAE分析研究

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[摘要]本文对防爆柴油机排气歧管的结构建立虚拟样机进行研究，通过有限元模拟分析提出改进措施。

[关键词]排气歧管 CAE 有限元分析 优化

[中图分类号]TK403 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2014）11-0079-02

排气歧管是车辆内燃机排气系统中的重要组成部分，对内燃机的动力性、经济性和排放均有影响。因此，在车辆维修时，它是很难检测到由于高的内燃机的排气背压内燃发动机功率发挥不足或内燃发动机不能正常工作。本论文针对内燃机排气管路中造成排气阻力的成因进行分析，为生产、安装提供结构优化，通过一些数据分析的排气管线的安装尺寸、方法和结构的优化，减少排气管线出现的反压现象引起的排气气体湍流，有效降低高内燃机排气背压的情况下，保证内燃机稳定工作。

一、研究对象

本文选用FB4105防爆柴油机的研究对象为排气歧管。FB4105防爆柴油机的主要技术参数有：转速2300r/min、净重350kg、防爆净功率40KW、总排量2.5L。

边界条件的排气系统数学模型包括：

（1）入口边界条件是：根据发动机排量和速度给定的入口速度V=12.06m/s，根据发动机废气排放温度给定入口温度600℃，根据给定的速度和湍流强度0.3MPa入口处入口结构的价值。

（2）出口边界条件：针对出口压力的条件下，假设出口压力是大气压力。

（3）壁面边界条件：壁面边界条件为无滑移速度边界条件。

二、虚拟样机模型

根据测绘数据，应用UG软件建立排气歧管的三维模型（图1：排气歧管三维模型），从三维模型图中抽取出气道三维图（图2：排气歧管气道三维模型）。

图1 FB4105排气歧管三维模型

图2 排气歧管气道三维模型

三、CAE有限元分析

CAE模块是3d应用UG软件中的一个有限元分析模块，从订单的产品、设计、开发，综合传统的经验设计和稳流试验台的试验和错误的方法，改进的虚拟开发。在虚拟环境下设计实现了虚拟样机开发的数字仿真方法的产品性能评价过程、优化和修正，从根本上改变了传统的设计思想，减少不必要的原型机生产，降低产品设计成本，缩短产品的设计周期。

UG高级仿真模块提供对许多行业标准解算器的无缝、透明支持，这样的解算器有NX Nastran、ANSYS等。如高级仿真模块使用该解算器来处理所有网格划分、边界条件和解法，还可以求解模型并直接在结算过程中查看结果。高级仿真模块除提供基本设计仿真中的功能外，还具有高级分析解算流程的其他功能：

（1）高级仿真有独特的数据结构。

（2）高级仿真有很强的网格划分功能。

（3）高级仿真有灵活的几何体设计方法。

（4）高级仿真中有NX传热解算器和NX流体解算器。

按照要求用UG软件打开排气歧管气道三维模型，点击高级仿真模块，新建FEM（Finite Element Modeling）模型，求解器为NX Thermal/Flow，分析类型为Coupled Thermal-Flow（耦合热流），材料赋予Air（空气），采用四面体网格进行划分，单元格选为5，共划分有41197个网格单元。图3为创建的排气歧管气道三维模型网格图。

图3 排气歧管气道三维模型网格图

四、cae有限元计算结果及分析

按照内燃机的点火顺序（1缸―3缸―4缸―2缸），分别加载边界条件，对1缸、2缸、3缸和4缸的气道进行流体模拟分析，从结果可见，流道发生拐弯及弯曲的形状都会影响气流，从优化前的图5、图6、图7及图8上可以看出，每个排气工作时，对当前管到出口的拐弯处，有一块区域的气流产生的紊流现象很明显，壁面受气流的冲击也比较大;当前工作缸的气流对后面的气道没有产生影响，但是对前面的气道均产生了影响。

五、小结

从FB4105排气歧管的数值模拟和分析可以基本上满足光滑排气的要求，强烈的涡流区没有出现在管内，只有极少部分涡流现象在管道的弯曲处出现。为了提高通道的气流速度的均匀性，对原结构进行改善，将在管道弯曲处设计添加圆角。仿真结果表明，原来存在的湍流现象显著降低了，并且对排气气缸后面的气道也没有影响，气道形状设计更加科学合理。

【参考文献】

[1]王书满.基于FB4105防爆柴油机排气歧管性能分析研究[J].中国科技创新导刊，2013（34）.

[2]左言言，顾颖.基于FLUENT的排气消声器内部流场仿真分析[J].小型内燃机与摩托车，2011（01）.