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構進行性能分析，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、尺寸和結構進行優(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參數(shù)：防爆凈功率40KW；轉速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構來實現(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)入口流速和結構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、結構網(wǎng)格劃分以及非結構網(wǎng)格劃分技術，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，在轉彎處，廢氣的流場通暢性差，易引起排氣歧管在轉彎處出現(xiàn)渦流，造成回壓，廢氣流經(jīng)轉彎處時會產(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

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