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        基于Fluent與Abaqus的中冷管道氣流沖擊計(jì)算

        2022-08-03 06:50:52霍小臭李艷君袁帥潘效龍
        汽車(chē)零部件 2022年7期
        關(guān)鍵詞:管壁壁面氣流

        霍小臭,李艷君,袁帥,潘效龍

        濰柴動(dòng)力股份有限公司,山東濰坊 261000

        0 引言

        為了提升發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和功率,同時(shí)滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的排放法規(guī),增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為目前發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的主流方向。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)單位排量的功率和扭矩不斷提高,渦輪增壓壓力也在不斷提高,對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管路的要求也越來(lái)越高,但目前針對(duì)增壓系統(tǒng)的研究多數(shù)集中在增壓器或中冷器,針對(duì)進(jìn)氣管路的研究較少。

        本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)由于氣流沖擊造成的中冷管和支架變形開(kāi)裂、膠管脫落等問(wèn)題,采用CFD分析軟件Fluent,對(duì)某型號(hào)增壓中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷管流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,通過(guò)映射數(shù)據(jù)將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算,對(duì)設(shè)計(jì)中的薄弱點(diǎn)進(jìn)行分析,為后續(xù)管路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。

        1 中冷管路內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算

        1.1 分析模型及網(wǎng)格

        模型采用某增壓中冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的中冷前管路,管路整體材質(zhì)為不銹鋼,其模型如圖1所示。

        圖1 中冷前管路模型

        本文提取中冷管內(nèi)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,中冷管內(nèi)流道網(wǎng)格模型如圖2所示,網(wǎng)格總數(shù)為110萬(wàn),內(nèi)流道近壁面處設(shè)置5層邊界層。

        圖2 中冷管內(nèi)流道網(wǎng)格模型

        中冷管中的氣體流動(dòng)計(jì)算采用的邊界條件來(lái)源于試驗(yàn)實(shí)測(cè),在1 800 r/min的恒定轉(zhuǎn)速下,輸出功率由0快速加載至100%,通過(guò)中冷前管道的氣體流量、壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖3所示。流體介質(zhì)采用空氣,空氣密度使用理想氣體模型,黏度采用分子動(dòng)力學(xué)模型,即空氣密度和黏度均隨壓力和溫度變化。

        圖3 氣體流量、壓力和溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

        1.2 計(jì)算結(jié)果

        內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算采用瞬態(tài)計(jì)算,將圖3中的邊界條件以Profile文件的形式輸入Fluent軟件中,從而實(shí)現(xiàn)各進(jìn)出口邊界的溫度、流量隨時(shí)間變化。湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-方程,壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),時(shí)間項(xiàng)采用一階隱式格式離散,壓力與速度耦合使用Simple算法。中冷管最大壁面切應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖4所示,最大切應(yīng)力出現(xiàn)在加載1.3 s。

        圖4 中冷管最大壁面切應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)

        選取最大壁面切應(yīng)力達(dá)到峰值的時(shí)刻,其壓力分布云圖如圖5所示,將壁面上的壓力分布導(dǎo)出,經(jīng)單位變換后用于接下來(lái)的Abaqus分析。

        圖5 中冷管內(nèi)流道壓力云圖

        2 中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算

        2.1 計(jì)算模型

        中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算模型如圖6所示,主要包括中冷管道和固定中冷管的支架和U形螺栓。中冷管道采用STRI65殼網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸5 mm,其余部分采用C3D10網(wǎng)格,尺寸為1.5 mm,網(wǎng)格總數(shù)約70萬(wàn)個(gè)。

        圖6 中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算模型

        利用分析軟件Fluent計(jì)算得到的中冷管內(nèi)壁的壓力分布映射至Abaqus,整體模型與管道口處的載荷邊界如圖7所示。邊界條件顯示壓力,方向箭頭垂直于管道內(nèi)壁面指向管道外側(cè)。

        圖7 整體模型與管道口處的載荷邊界

        2.2 中冷管道氣流沖擊應(yīng)力計(jì)算

        發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,中冷管內(nèi)高壓和高速的空氣對(duì)中冷管道壁面產(chǎn)生較大的沖擊,造成較為顯著的應(yīng)力和形變。本文計(jì)算了氣壓和氣流沖擊作用下中冷管的應(yīng)力和形變。中冷管應(yīng)力分布如圖8所示。

        圖8 中冷管應(yīng)力分布

        由圖8可知,中冷管和支架本身并不存在應(yīng)力過(guò)高的區(qū)域,但固定中冷管的U形螺栓根部存在較大面積的應(yīng)力過(guò)高,已經(jīng)超出材料的屈服極限,如圖9所示。因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)快速加載過(guò)程中,U形螺栓的根部可能出現(xiàn)開(kāi)裂失效,造成中冷管道失去約束,進(jìn)而造成中冷管變形或膠管開(kāi)脫。

        圖9 U形螺栓應(yīng)力

        中冷管變形量如圖10所示。由圖可以看出,最大變形量為0.74 mm,中冷管下端變形量顯著高于上部分。

        圖10 中冷管變形量

        3 改進(jìn)方案

        通過(guò)上述計(jì)算分析可知,U形螺栓強(qiáng)度明顯不足,為此將6 mm的U形螺栓改為8 mm,重新進(jìn)行上述計(jì)算分析。加粗后的U形螺栓應(yīng)力如圖11所示。由圖可以看出,加粗U形螺栓后仍存在較大面積的應(yīng)力超標(biāo),說(shuō)明該改進(jìn)方法可行度較低。

        圖11 加粗后的U形螺栓應(yīng)力

        于是將管壁厚度由原來(lái)的1.5 mm增加至2 mm和2.5 mm,重新進(jìn)行計(jì)算分析。加厚管壁后U形螺栓應(yīng)力如圖12所示。由圖可以看出,當(dāng)管壁厚度增加至2 mm時(shí),不存在應(yīng)力超標(biāo)區(qū)域;當(dāng)管型厚度增加至2.5 mm時(shí),U形螺栓上的應(yīng)力進(jìn)一步減小,但減小幅度不大。

        圖12 加厚管壁后U形螺栓應(yīng)力

        圖13為加厚管壁后的中冷管變形量。由圖可以看出,管壁厚度為2 mm時(shí),中冷管最大變形量為0.41 mm;管壁厚度為2.5 mm時(shí),最大變形量為0.36 mm。隨著管壁加厚,中冷管道變形量顯著減小。綜上所述,對(duì)于U形螺栓開(kāi)裂、斷裂問(wèn)題,通過(guò)增加管壁厚度可以得到顯著改善。

        圖13 加厚管壁后的中冷管變形量

        4 結(jié)論

        (1)使用Fluent軟件對(duì)中冷管道的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了瞬態(tài)計(jì)算,并通過(guò)與Abaqus的耦合,對(duì)中冷管內(nèi)氣流沖擊引起的應(yīng)力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

        (2)通過(guò)計(jì)算,最大應(yīng)力出現(xiàn)在U形螺栓根部,且超過(guò)了材料的屈服極限,存在斷裂風(fēng)險(xiǎn),最大變形量出現(xiàn)在中冷管下端。

        (3)通過(guò)加粗U形螺栓,對(duì)螺栓根部應(yīng)力過(guò)高情況的改善效果不明顯;通過(guò)增加管壁厚度,可顯著改善該問(wèn)題,為今后的設(shè)計(jì)和故障解決提供了思路。

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