发动机排气歧管流固耦合仿真

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摘要： 应用AVLfire软件和Abaqus软件对某发动机排气歧管进行流固耦合仿真.对排气歧管材料进行各温度下的材料试验，得到准确的材料在不同温度下的属性曲线.由AVLfire软件和Abaqus软件进行流固耦合仿真得到排气歧管的温度场分布，并进行排气歧管应力和应变分析.仿真结果与试验结果的对比表明，塑性应变高的区域正是发生开裂的区域.

关键词： 发动机； 排气歧管； 耦合； Abaqus； AVLfire

中图分类号： U464.1；TB115.1文献标志码： B

引言

排气歧管是发动机上主要承受热负荷的零件之一，其内表面与高温燃气直接接触，工作环境非常恶劣.随着发动机的小型化和性能的不断提升，其承受的热负荷也不断地提高，发生开裂失效的故障也越来越多.某发动机排气歧管在试验中出现开裂失效的情况见图1.由于受到排气歧管材料性能的限制以及发动机布置空间限制，一些发动机为了排气歧管的可靠性，不得不对燃气进行加浓，以牺牲发动机性能来降低排气温度.因此，开发初期应用CAE手段对排气歧管的性能进行仿真计算，对减小试验中出现失效风险有重要的作用.图 1排气歧管开裂

在CAE仿真计算中，与热相关的发动机零件，诸如气缸盖、活塞和排气歧管等，分析流程与分析方法都比较成熟.有许多学者和工程师对这些零件进行仿真研究.文献[1]对气缸垫、气缸体和气缸盖等零件以及缸内气体、冷却介质为耦合体，进行燃烧室部件的传热数值模拟试验；文献[2]对活塞缸套进行流固耦合仿真与试验研究；文献[3]对排气歧管进行热应力分析并成功解决其开裂问题.

准确的材料属性和温度场分布是排气歧管应力应变仿真分析的基础.本文对排气歧管材料进高温下的材料属性试验，得到较为准确的材料属性信息.在温度场方面，采用流固耦合的方法，通过流体与固体的传热迭代，得到较为准确的温度分布；而后结合其机械载荷，对排气歧管进行冷热冲击仿真分析，得到排气歧管的应力、应变结果.

1排气歧管流固耦合分析流程

排气歧管分析的流程见图2.首先由一维整机性能仿真计算得到发动机各缸的排气温度和质量流量；然后进行排气歧管内腔CFD计算进而得到内腔近壁面气体的温度和换热系数；通过软件映射功能，将此边界映射到有限元模型上；再加上外表面的对流换热和排气歧管单向辐射等边界，利用Abaqus软件计算得到排气歧管的第一轮温度场结果并提取内壁面温度，最后返回内壁面温度给CFD再次计算.经过两轮耦合计算后，再进行应力、应变计算.

图 2流固耦合分析流程

2排气歧管材料属性试验

排气歧管承受较高的温度负荷，材料本身的特性随着温度的变化而变化.这些随温度变化的特性需要由试验得到.试验的工装图见图3.该试验在保温炉中进行，试验部分结果见图4.数据经整理后，用于有限元分析.图 3材料试验现场

图 4不同温度下材料拉伸试验结果

3内流场CFD计算

应用AVLfire计算发动机2个循环（1 440°曲轴转角）的瞬态内流场.内流场计算的网格模型见图5，共计124 147个单元.由于是瞬态计算，为增加计算收敛性，延长进口和出口长度，这并不影响内流场计算结果的准确性.控制方程采用可压缩NS方程，湍流模型采用标准ke模型，壁面函数选择标准壁面函数.为提高计算的准确度，对网格模型设置边界层并合理调整网格大小，见图6.排气歧管进、出口边界条件由一维仿真软件GTpower软件计算得到，计算工况为发动机额定点.排气歧管进口质量流量和温度分别见图7和8，排气歧管出口静压和温度分别见图9和10.选择第二个循环输出近壁面的换热系数和温度，软件自动进行时间和空间平均处理.第二次耦合的换热系数和壁面气体温度结果分别见图11和12.

4排气歧管温度场计算

4.1温度场分析有限元模型

温度场分析模型包含排气歧管、排气歧管垫片、增压器压气机壳体、增压器支架、增压器入口垫片、各种螺栓以及简化的缸体、缸盖等零件.节点总数为315 680个，单元总数为210 858个，网格模型见图13.

图 13温度场分析模型

4.2边界条件

传热边界条件有3类：

第一类BC（S1），称为Dirichlet 条件，在边界上给定温度值，即T（x，y，z）=T（1）第二类BC（S2），称为给定热流密度的Neumann条件，即kxTxnx+kyTyny+kzTznz=qf（2）第三类BC（S3），称为给定对流换热系数的Neumann条件，即kxTxnx+kyTyny+kzTznz=hconv（T∞-T）（3）式中：nx，ny和nz为边界法线的方向余弦；T为S1在上给定的温度；qf为在S2给定的热流密度；T∞为环境温度.

缸盖、缸体使用第一类边界条件，其他零件使用第三类边界条件.其中排气歧管内腔温度和换热数由CFD计算得到；外壁面与空气接触，在发动机台架试验条件下，存在微弱的对流换热；由于排气歧管温度较高，考虑排气歧管对外部零件的单向热辐射.

4.3温度场计算结果

第一轮耦合计算和第二轮耦合计算的结果分别见图14和15，可知，两轮计算的温度场分布大致相同，数值上有些差异，最高温度都出现在排气总管内腔.这是符合物理事实的：排气总管接受来自4个缸的气体能量输入，因此内腔的平均排气温度和换热系数都要比其他地方高，所以造成最高温度出现在排气总管.

图 14第一轮耦合计算温度场

图 15第二轮耦合计算温度场

5排气歧管应力应变分析

应力应变分析与温度场分析共用一个有限元模型，只需更改单元类型.额定点工况载何考虑装配载荷和温度场.

排气歧管额定点时应力分布见图16，冷却到室温后排气歧管的残余应力分布见图17，可知，在高温状态下，发生过开裂的区域承受较大压应力，约为-400 MPa；冷却到室温后，该区域又产生较大的拉应力，最大应力约为250 MPa.如此的拉压循环，对排气歧管可靠性是严峻的考验.塑性应变量的大小与排气歧管的热机疲劳有很大相关性.排气歧管塑性应变分布见图18，可知，开裂区域的塑性应变也较大，说明CAE分析与实验结果非常吻合.

6结束语

本文对排气歧管进行流固耦合分析，对排气歧管材料进行试验测量，得到较为准确的温度场分布和应力应变的结果.高应变区域与在试验中发生开裂的区域非常吻合.说明流固耦合分析能准确预测排气歧管的关键点，为设计优化提供重要的指导.

参考文献：

[1]越宏国， 白敏丽， 王宇， 等. 耦合法在柴油机传热研究中的应用[J]. 小型内燃机与摩托车， 2007， 36（6）： 15.

[2]陈红岩， 李婷. 柴油机活塞冷却系统固流耦传热研究[J]. 农业机械学报， 2006， 37（5）： 3740.

[3]李红庆. 内燃机排气歧管热应力分析 [C]//Abaqus 2005年年会论文集. 杭州， 2005.（编辑武晓英）第22卷 增刊22013年10月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.22 Suppl.2Oct. 2013