睢利銘，劉 慶

(河南機電高等專科學(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

基于STAR－CCM+的防爆柴油機水冷式排氣管數(shù)值模擬分析*

睢利銘，劉 慶

(河南機電高等?？茖W(xué)校汽車工程系，河南新鄉(xiāng)453000)

防爆柴油機水冷式排氣管是其排氣裝置的重要組成部分，是高溫廢氣在排氣系統(tǒng)各部件間流動時溫度達標(biāo)的重要保證。文章利用STAR－CCM+軟件對兩種水冷式排氣管進行了網(wǎng)格劃分和物理模型設(shè)定，通過數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明:新結(jié)構(gòu)的水冷式排氣管溫度分布均勻，沒有出現(xiàn)過熱區(qū)域，并且換熱性能更好。

防爆柴油機;水冷式排氣管;STAR－CCM+

1 概述

在現(xiàn)代化礦井的輔助運輸中，大量采用的是以防爆柴油機為動力的車輛。所謂防爆柴油機，是指在有爆炸性氣體、可燃性氣體、蒸汽及粉塵環(huán)境中作業(yè)時不會點燃環(huán)境氣體、蒸汽和粉塵，且排放符合特殊環(huán)境規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的柴油機［1］。我國制定的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《MT 990－2006礦用防爆柴油機通用技術(shù)條件》對防爆柴油機所需達到的技術(shù)水平做出了十分具體的要求，其中最主要的規(guī)定有:防爆柴油機任一部位表面溫度不得超過150℃;柴油機最終排氣溫度不得超過70℃;任何通氣部位不得有明火噴出。由于防爆柴油機特殊的使用環(huán)境，必須對各高溫部分進行控制，并保證高可靠性，以免發(fā)生事故［2］。

柴油機進行防爆處理后如何提高其動力性、經(jīng)濟性是研究的難點，其中，防爆柴油機排氣系統(tǒng)是研究重點。隨著計算機軟件技術(shù)的迅猛發(fā)展及其在工程中的廣泛應(yīng)用，發(fā)動機排氣系統(tǒng)性能仿真技術(shù)也得到了快速發(fā)展并日漸成熟，STAR－CCM+軟件就是其中較優(yōu)秀的軟件之一，本文利用STAR－CCM+軟件完成了某防爆柴油機排氣管的性能仿真分析工作。

2 STAR－CCM+軟件簡介

STAR－CCM+是CD－adapco公司采用最先進的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)數(shù)值技術(shù)開發(fā)的新一代高端CFD軟件，擁有出色的性能、精度和高可靠性。該軟件一體化的用戶界面可以顯示全部的模擬過程，從參數(shù)化CAD建模、表面準(zhǔn)備、體網(wǎng)格生成的網(wǎng)格劃分，到模型設(shè)定、計算求解及后處理分析的整個流程都能在同一個界面環(huán)境中完成［3］。

STAR－CCM+采用樹狀結(jié)構(gòu)，自上而下的過程，模擬流程的基本步驟是:

建立幾何模型→劃分網(wǎng)格→設(shè)置物性參數(shù)和邊界條件→求解運算→結(jié)果后處理分析

3 排氣管的結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙層水冷式排氣管在防爆柴油機排氣系統(tǒng)中是重要的連接管道。圖1給出了防爆柴油機干式和濕式排氣系統(tǒng)的裝置?？梢?，雙層水冷式排氣管的作用是將廢氣安全地輸送到廢氣換熱器或冷卻凈化水箱中，同時在廢氣輸送過程中對廢氣進行冷卻降溫，保證柴油機工作過程中排氣管的外表面任一部位的溫度不超過150℃。

水冷式排氣管分為內(nèi)管和外管，內(nèi)管中流動的是柴油機排出的廢氣，內(nèi)管和外管之間的封閉腔中流動的是冷卻水。工作時，冷卻水通過設(shè)置在外管壁上的入口進入封閉腔中，通過內(nèi)管管壁的熱傳遞對廢氣進行冷卻。排氣管在設(shè)計中應(yīng)注意不要有太急的轉(zhuǎn)彎，如需轉(zhuǎn)彎應(yīng)使用較大的圓弧過渡，使氣流盡量順暢以減小排氣阻力。當(dāng)管道通路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時，可使用多段管道分段連接的方式，以降低制造難度。各段管道連接的接合面以及管道與排氣系統(tǒng)其他部件連接的接合面都設(shè)計為隔爆接合面，其連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 防爆柴油機排氣裝置

圖2 多段水冷式排氣管組合示意圖

目前，普遍使用的水冷式排氣管結(jié)構(gòu)采用雙層管結(jié)構(gòu)，沒有其他增加換熱能力的結(jié)構(gòu)，如圖3。在這種結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，想要提升換熱能力，可以考慮一些方案，比如:將除排氣管兩端外的中間部分內(nèi)外管徑增大，可以減小廢氣在其中的流速，使換熱充分;內(nèi)管外壁增加散熱片，增大內(nèi)管外壁與冷卻水的接觸面積。前一種方法增大了排氣管的體積，安裝布置造成困難;后一種方法由于廢氣流速很大(通常超過100m/s)，散熱片可能造成冷卻水的流動死區(qū)，提升的換熱能力不明顯。對此，考慮采用一種新的方案，其結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 普通水冷式排氣管

圖4 新式水冷式排氣管橫截面

4 數(shù)值模擬模型的建立及預(yù)處理

4.1 三維模型的建立

合理建立研究對象的三維幾何模型是整個有限體積分析過程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，模型合理與否直接關(guān)系到計算結(jié)果的精度、計算時間的長短、存儲容量的大小以及計算過程能否完成。

因此，建模時，可以忽略構(gòu)件的小孔、小凸臺、倒角等小特征和對結(jié)構(gòu)分析影響不大的附加通道、材料，隔爆接合結(jié)構(gòu)也可以進行簡化。

本文主要對普通水冷式排氣管(方案一)和新結(jié)構(gòu)的水冷式排氣管(方案二)性能進行分析對比，因此模型進行了簡化，均設(shè)為簡單直管，設(shè)定兩種排氣管都是總長1m的直管，包括廢氣和冷卻水的進、出口，除了內(nèi)管的結(jié)構(gòu)不同，其他部分的尺寸、結(jié)構(gòu)都相同。通常，排氣管連接在渦輪增壓器之后，其連接部分的尺寸就與增壓器上的相同，法蘭、螺栓孔、廢氣通道都要相同，進而來確定排氣管的基本尺寸，值得注意的是要留有六角螺栓扳手的安裝空間。對于新結(jié)構(gòu)的水冷式排氣管，設(shè)定六個凸起間隔為60°且均勻分布，每個凸起和凹進部分圓周上各占30°，同時，冷卻水的進、出口不能正對這部分結(jié)構(gòu)，所以凹凸截面邊緣距廢氣進、出口面設(shè)定為55mm。兩種方案的模型采用了造型功能強大的三維繪圖軟件CATIA完成，如圖5和圖6。

4.2 模型的預(yù)處理

4.2.1 網(wǎng)格劃分

圖5 方案一普通水冷式排氣管

圖6 方案二新結(jié)構(gòu)的排氣管

網(wǎng)格劃分是CFD的一項重要工作，因為網(wǎng)格不僅是CFD模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體，網(wǎng)格質(zhì)量好壞直接關(guān)系到CFD模擬仿真進行與否、計算精度和計算效率。在將排氣管三維模型導(dǎo)入STAR－CCM+中進行網(wǎng)格劃分時，因為CATIA造型的模型面網(wǎng)格可能存在漏洞、縫隙、表面干涉和錯配、表面重疊等問題，不能直接用來生成體網(wǎng)格，必須利用STAR－CCM+軟件提供的表面包面功能(Surface Wrapper)和表面重構(gòu)功能(Surface Remesher)進行預(yù)處理，即進行面網(wǎng)格的劃分，如圖7和圖8。

圖7 方案一內(nèi)、外面網(wǎng)格

圖8 方案二內(nèi)、外面網(wǎng)格

面網(wǎng)格完成后，在此基礎(chǔ)上進行體網(wǎng)格的劃分。面網(wǎng)格采用了多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格模型。固體區(qū)域體網(wǎng)格模型如圖9所示。在流固交界面設(shè)置1mm的邊界層，邊界層層數(shù)為2。邊界層是由于流體的黏性作用產(chǎn)生的，所有的固體區(qū)域和流體區(qū)域的交界面都設(shè)置為interface，進行熱量的傳輸。流體區(qū)域的體網(wǎng)格模型如圖10和圖11所示。

圖9 固體體網(wǎng)格

圖10 氣體體網(wǎng)格

圖11 冷卻水體網(wǎng)格

4.2.2 模型假設(shè)與計算模型

在不影響結(jié)果判定的情況下，本文研究所用的氣體以熱空氣進行計算，冷卻水按飽和水進行計算，認(rèn)為水冷式排氣管內(nèi)流動的流體是密度、黏度不變的不可壓縮的，且流體的物理性質(zhì)均勻一致，流體狀態(tài)為不可壓縮、湍流流動。發(fā)動機排氣系統(tǒng)內(nèi)的流動一般是高雷諾數(shù)的三維非定常湍流，本文研究水冷式排氣管采用的湍流計算模型是標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型，該模型較為簡單，在計算成本較低的情況下能保證很好的計算精度。

4.2.3 邊界條件設(shè)置

(1)入口邊界條件

本文對水冷式排氣管進行穩(wěn)態(tài)模擬。氣體入口采用速度入口，根據(jù)《東風(fēng)康明斯柴油機性能參數(shù)表》，計算出防爆功率時，轉(zhuǎn)速2200r/min工況下的排氣速度為87.536m/s，排氣溫度673K，即氣體入口溫度。冷卻水入口采用速度入口，根據(jù)計算的冷卻水流速為2.913m/s，入口溫度343K。

(2)出口邊界條件

水冷式排氣管的出口有兩個，在模擬中都采用壓力出口，出口環(huán)境溫度300K。

(3)流體屬性設(shè)置

氣體模型簡化為理想氣體，定常密度，氣體設(shè)為空氣，定為673K時的物性。冷卻水的模型設(shè)為定常密度，定為343K時的物性，不考慮重力，不考慮水的沸騰和相變的影響。流體的對流換熱系數(shù)受多種因素影響，沒有確定的值。根據(jù)經(jīng)驗值，取氣體的對流換熱系數(shù)15W/(m2·K)，冷卻水的對流換熱系數(shù)為2500W/(m2·K)。

(4)壁面邊界條件

固體與流體接觸壁面設(shè)為無滑移，對流換熱，流體在此壁面上速度為0。排氣管外壁也向外散熱，設(shè)環(huán)境溫度300K，對流換熱系數(shù)為15W/(m2·K)。兩個法蘭端面和螺孔均采用固定約束邊界，其余壁面為絕熱壁面，自由邊界。

(5)固體屬性設(shè)置

排氣管的材料選用不銹鋼，密度為8055kg/ m3，比熱容為480J/(kg·K)，泊松比為0.285，熱導(dǎo)率為15.1W/(m·K)，熱膨脹系數(shù)為1.72× 10－5/K，楊氏模量為193000MPa。臨界熱應(yīng)變參考溫度為300K。

5 溫度場計算結(jié)果及分析

5.1 排氣管溫度

防爆柴油機運行時，高溫廢氣和排氣管發(fā)生熱量傳遞，排氣管和冷卻水發(fā)生熱量傳遞。整個過程主要以對流換熱方式傳遞熱量，而固體部分，熱量以熱傳導(dǎo)方式傳遞。外壁面則向周圍大氣散熱，一部分以自然對流換熱方式傳遞給周圍空氣，一部分熱量以傳導(dǎo)和輻射換熱方式傳遞給環(huán)境大氣。本文在計算水冷式排氣管溫度場時，主要考慮固體壁面和高溫廢氣、冷卻水的對流換熱，外壁面考慮與環(huán)境中常溫空氣的熱對流，不考慮輻射和導(dǎo)熱的影響。

圖12是兩種排氣管表面的溫度分布。從中可以看出兩者的外壁溫度均沒有超過150℃。但是兩者在氣體入口處的法蘭內(nèi)溫度略高，這里沒有冷卻水的直接冷卻，因此溫度較高。但是這里和其他部件連接，高溫部分不會暴露在外，對隔爆效果沒有影響。

圖12 排氣管表面溫度

圖13是排氣管內(nèi)壁冷卻水入口附近的溫度分布。從中可以看出方案一中出現(xiàn)了過熱的部分，而方案二中則沒有出現(xiàn)過熱的部分。

圖13 排氣管內(nèi)壁局部溫度

5.2 冷卻水溫度及截面流速

圖14是冷卻水的溫度分布。從中可以看出方案一中冷卻水出現(xiàn)過熱的區(qū)域與圖13(a)中的區(qū)域一致。兩者在近法蘭處都有高溫部分，這與圖12中所表示的相一致，可見高溫廢氣對排氣管入口部分有較大影響。

圖14 冷卻水溫度

排氣管壁發(fā)生過熱受多種原因的影響，如排氣管本身的結(jié)構(gòu)，包括管徑、管長、壁厚等;還有就是管內(nèi)流動是否合理，包括流速與流場的分布情況。在排氣管結(jié)構(gòu)參數(shù)中，管壁越厚，傳熱效果變差，容易引起高溫;管長并不影響流動和傳熱;管徑則是影響流動和換熱的重要特征參數(shù)。在本文的模擬中，排氣管的外形尺寸受到連接部位的尺寸限制，兩管的管徑相同;為便于對比，兩管的管長、壁厚都相同。因此，這些參數(shù)對流動和換熱的影響在兩個方案中是一致的。而結(jié)構(gòu)上的不同就在于內(nèi)管的凹凸結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)也就造成了管內(nèi)流動的不同。因此，在方案一過熱部位做排氣管的截面，在方案二相同位置做截面，對比此截面上冷卻水的流速，如圖4－9所示。

圖15 截面冷卻水的流速

從圖中可以看出，兩種方案流速最明顯的區(qū)別就在頂部。下半部分流速大的區(qū)域方案二也比方案一的大，頂部方案二的流速明顯高于方案一。方案二冷卻水在頂部的流動比方案一好很多。更好的冷卻水的流動，將此處集中的熱量更好地帶走，流速越大，傳熱效果越好，使得這里的過熱現(xiàn)象有了較好的解決。

5.3 排氣管出口氣體溫度

圖16是排氣管出口氣體的溫度分布。從中可以看出兩者的溫度分布很相近。具體的出口平均溫度方案一為623.094K，方案二為617.417K。方案二比方案一的溫度低約5K。方案二確實提升了一定的換熱能力。

圖16 排氣管出口氣體溫度

6 結(jié)語

(1)建立了基于STAR－CCM+的排氣管的數(shù)值模擬模型，完成了針對防爆柴油機水冷式排氣管在2200r/min工況下，熱流耦合時排氣管內(nèi)流體、固體溫度分布的仿真模擬分析，結(jié)果表明:普通水冷式排氣管存在著局部過熱和冷卻水局部高溫的部分，二者在同一區(qū)域，是由于此處的冷卻不足造成，而新式水冷式排氣管對普通水冷式排氣管中的問題進行了較好的解決，沒有出現(xiàn)局部高溫過熱的情況，并且對排氣的冷卻效果也有提升。

(2)計算機輔助工程(CAE)分析可以很好地對各種排氣系統(tǒng)設(shè)計方案進行選擇，可以從排氣管結(jié)構(gòu)局部優(yōu)化和性能部分優(yōu)化來不斷完善排氣管甚至整個排氣系統(tǒng)的設(shè)計，因此，CAE分析必將在車用排氣系統(tǒng)的設(shè)計中發(fā)揮越來越重要的作用。

(責(zé)任編輯 呂春紅)

［1］張福祥，賈二虎.尾氣凈化技術(shù)在煤礦防爆柴油機上的應(yīng)用［J］.煤礦機械，2010，31(4).

［2］王清燕.煤礦用運輸車輛排氣防爆技術(shù)研究［D］.武漢理工大學(xué).2013.

［3］李明.STAR－CCM+與流場計算［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

Numerical Simulation Analysis of Explosion－proof W ater－cooled Diesel Engine Exhaust Pipe based on STAR－CCM+

SUILi-ming，et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China)

The explosion－proof water－cooled diesel engine exhaust pipe is an important part of the exhaust system and an important guarantee for high temperature exhaust gas achieving the temperature standards when it flows in each component between the exhaust system.This paper uses the STAR－CCM+software to mesh and set physicalmodel for two kinds ofwater－cooled exhaust pipe，through the analysis of numerical simulation，the results show that the new structure of thewater－cooled exhaust pipe temperature is uniform distribution，no overheating areas，and the heat transfer performance is better.

explosion－proof diesel engine;water－cooled exhaust pipe;STAR－CCM+

U464

A

1008-2093(2015)02-0019-05

2015-01-11

睢利銘(1988－)，女，河南安陽人，助教，碩士研究生，主要從事發(fā)動機排放控制與電控技術(shù)、汽車及發(fā)動機CAD/CAE研究。