王書滿

（徐州開放大學，江蘇徐州 221116）

基于FLUENT某型排氣歧管性能分析

王書滿

（徐州開放大學，江蘇徐州 221116）

內(nèi)燃機排氣歧管是內(nèi)燃機排氣系統(tǒng)的主要組成部分，排氣歧管的氣體流動性能和動壓力性能直接影響到內(nèi)燃機的動力性、排放性和經(jīng)濟性.本文針對某型防爆柴油機排氣歧管的結(jié)構(gòu)進行性能分析，通過FLUENT模擬分析提出改進措施.

排氣歧管；有限元；性能；FLUENT；分析

排氣歧管是車輛內(nèi)燃機排氣系統(tǒng)中的重要組成部分，影響著內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和排放.通過合理的數(shù)據(jù)分析對排氣管路安裝方式、尺寸和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，有效地降低內(nèi)燃機排氣背壓高，減少管路中出現(xiàn)排氣紊流而造成的回壓現(xiàn)象的出現(xiàn)，以保證內(nèi)燃機穩(wěn)定工作的可靠性.

1 研究對象

FB4105防爆柴油機的主要技術(shù)參數(shù)：防爆凈功率40KW；轉(zhuǎn)速2300r/min；凈重350kg；總排量2.5L.

建立虛擬三維物理模型，為計算機流體動力學的分析提供理論基礎.通過數(shù)學模型解決氣體的狀態(tài)、設置邊界條件，獲得相關的參數(shù)，進行數(shù)值模擬分析，對速度、壓力和湍動能流場進行分析，通過優(yōu)化排氣歧管某一局部結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)對排氣歧管性能的改進，以提高設備工作效率，縮短開發(fā)周期，節(jié)省開發(fā)費用.

根據(jù)測繪數(shù)據(jù)，應用三維軟件建立排氣歧管的三維模型，從三維模型圖中抽取出氣道三維圖.

設置排氣系統(tǒng)數(shù)學模型邊界條件：

（1）入口邊界條件：根據(jù)柴油機排量和轉(zhuǎn)速給定入口速度V=12.06m/s，根據(jù)廢氣排放溫度給定入口溫度600℃，根據(jù)入口流速和結(jié)構(gòu)給定入口處的湍流強度為0.3MPa.

（2）出口邊界條件：給定壓力出口條件，假定出口壓力為大氣壓力；

（3）壁面邊界條件：壁面邊界條件為無滑移速度邊界條件.

2 分析過程

2.1 Fluent軟件功能

Fluent是計算流體動力學CFD通用軟件包之一，可以用來模擬分析不可壓縮或可壓縮范圍內(nèi)的復雜流體.Fluent具有多種求解方法、結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分以及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分技術(shù)，能夠獲得最佳的收斂速度和求解精度.使Fluent軟件在機械制造、電子器械、航空航天、船舶制造、傳熱與相變、化工生產(chǎn)、噪聲控制等方面得到廣泛應用.

GAMBIT是為了建立并網(wǎng)格化計算流體力學（CFD）模型的一個軟件.通過GAMBIT的用戶界面（GUI）可以接受CAD等軟件設計的模型輸入或者利用本身的功能進行幾何模型設計.GAMBIT是計算機流體力學軟件模擬分析的前處理器，其主要功能包括幾何模型的建立和網(wǎng)格生成.

2.2 分析過程

根據(jù)虛擬樣機進行優(yōu)化后，并把排氣歧管氣道三維模型導入Gambit軟件中，建立流場的分析區(qū)域、進行網(wǎng)格劃分并根據(jù)要求設定邊界條件.劃分排氣歧管氣道內(nèi)流場網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分采用Tet/Hybrid（四面體單元/混合單元），單元類型為Tgrid（混合網(wǎng)格），主要采用四面體單元網(wǎng)格，部分使用三角形網(wǎng)格、六面體網(wǎng)格等，共劃分了60757個網(wǎng)格單元.對排氣歧管內(nèi)流體進行100次迭代計算，從迭代殘差圖可以看出，圖形由上向下逐漸減少，迭代100次后迭代解已經(jīng)收斂到允許的誤差范圍了.

圖1 三缸氣門疊開時速度矢量圖

圖2 三缸氣門疊開時壓力分布云圖

圖3 速度矢量圖（在第二缸交匯處）

圖4 速度統(tǒng)計直方圖

排氣氣門疊開時，第三缸已經(jīng)開始排氣，第一缸并沒有關閉，對兩個氣缸都在排氣現(xiàn)象進行模擬分析，結(jié)果顯示第一缸現(xiàn)象和單獨工作時差不多，第三缸到出口的拐彎處速度和壓力變化不是太大.通過圖3可以看出，第一缸和第三缸同時工作時，他們中間的第二缸處出現(xiàn)了明顯的渦流區(qū)域，圖4顯示氣流在氣道內(nèi)波動很大.

第三缸排氣時模擬分析結(jié)果

圖5 第三缸速度矢量圖

圖6 第三缸壓力分布云圖

圖7 速度矢量圖（在第一、二缸交匯處）

圖8 速度統(tǒng)計直方圖

分析速度矢量圖和壓力分布云圖可以看出，第三缸單獨工作時仍然顯示在到出口的拐彎處的區(qū)域，速度和壓力變化很大，這一區(qū)域的動壓很明顯，對第一缸和第二缸的影響為出現(xiàn)了渦流現(xiàn)象，但是不是太大，對第四缸的影響不大.圖8顯示氣道內(nèi)的氣流也出現(xiàn)了波動.

2.3 模擬結(jié)果分析

以第一、三缸氣門疊開時排氣模擬分析和第三缸排氣時模擬分析結(jié)果對比為例，每個氣缸到出口的拐彎處都出現(xiàn)了速度和動壓變化較大的區(qū)域，排氣時對其他氣缸產(chǎn)生了渦流現(xiàn)象，氣門疊開時，氣道內(nèi)的氣流波動很大，各缸之間會產(chǎn)生相互干擾，即剛打開的氣缸排氣時，正好碰到即將關閉的缸竄來的沒有排凈的廢氣，這樣就增加了排氣的阻力，進而降低發(fā)動機的輸出功率.分析顯示廢氣氣流較大，在轉(zhuǎn)彎處，廢氣的流場通暢性差，易引起排氣歧管在轉(zhuǎn)彎處出現(xiàn)渦流，造成回壓，廢氣流經(jīng)轉(zhuǎn)彎處時會產(chǎn)生一個很強的反射壓力波，氣缸干涉增強，影響了廢氣的排放，造成排氣回壓內(nèi)燃機的排氣阻力增大，內(nèi)燃機排氣功率下降.同時，轉(zhuǎn)彎處的管壁受到廢氣沖擊強烈，由于廢氣溫度較高，易引起排氣歧管的斷裂.

3 小結(jié)

通過Fluent軟件及網(wǎng)格劃分前處理器Gambit建立排氣歧管有限元模型，對氣道進行了網(wǎng)格劃分.并對單缸氣門開啟時，氣道內(nèi)的流速和壓力進行了模擬仿真，得到了速度矢量圖和壓力分布圖；并對兩個缸在氣門疊開時，氣道內(nèi)的流速和壓力進行了模擬仿真，獲得了速度矢量圖和壓力分布圖.

對模擬結(jié)果進行了分析，多合一的排氣歧管產(chǎn)品是較簡單的漏斗形，在設計生產(chǎn)中能容易控制，缺點是不能讓各支管排出的廢氣均勻混合排出，特別在氣門疊開的時候，容易造成排氣干涉現(xiàn)象的發(fā)生.

TK428

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1673-260X（2015）04-0038-02