楊 燾 趙 韡 李江浩 郭 鵬

（1-中北大學機械工程學院 山西 太原 030051 2-山西偉鼎實業(yè)有限責任公司）

引言

排氣歧管是發(fā)動機的重要組成部分，在持續(xù)高溫氣體沖擊下，排氣歧管受熱膨脹，產(chǎn)生的熱應力使排氣歧管容易出現(xiàn)變形甚至開裂等問題。此外，在熱應力作用下，排氣歧管不停地膨脹收縮，容易發(fā)生熱塑性應變；隨著高溫下材料強度大幅降低，排氣歧管出現(xiàn)疲勞開裂、密封墊損壞等失效情況的可能性增大[1]。排氣歧管出現(xiàn)故障的原因主要有：材料選擇不佳、結(jié)構(gòu)設計不合理以及相關制作工藝不完善等[2]。排氣歧管失效問題嚴重影響著排氣歧管的使用壽命以及綜合性能，需對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化[3]。

在工作過程中，排氣歧管的熱量一般通過熱傳導方式傳導至相鄰結(jié)構(gòu)，或者以熱輻射以及熱對流方式傳遞到大氣環(huán)境中。因此，在工作過程中，排氣歧管的溫度梯度較大，使得發(fā)動機性能及其廢氣排放受到較大影響[4]。在實際工作過程中，經(jīng)常出現(xiàn)排氣歧管與發(fā)動機連接端密封失效、高溫廢氣泄漏、緊固螺栓斷裂、冷卻水滴漏、冷卻水流通受阻以及尾氣排放阻力增大等問題。研究發(fā)現(xiàn)，熱特性以及散熱結(jié)構(gòu)是影響排氣歧管使用壽命的重要因素[5-6]。在研究高溫工作環(huán)境對排氣歧管的影響時，為了縮短設計開發(fā)周期、降低研究成本，可采用數(shù)值計算的方法對排氣歧管流場以及熱應力分布情況進行分析，不僅可以預測工作過程中潛在的問題，還可以為后續(xù)排氣歧管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提供參考[7-8]。

本文基于ANSYS Workbench 計算平臺，采用Fluent 計算模塊分析排氣歧管在工作過程中涉及到的尾氣排放、固體結(jié)構(gòu)材料之間的傳熱以及變形等物理過程，對仿真計算后排氣歧管的熱變形、熱應力分布情況進行分析?；谟嬎憬Y(jié)果提出了優(yōu)化方案，通過試驗證明了其有效性。

1 模型分析

本文以某型號發(fā)動機為研究對象，對其排氣歧管工作過程進行仿真分析，建立排氣歧管模型如圖1所示。

圖1 排氣歧管模型

首先對排氣歧管結(jié)構(gòu)進行如下簡化處理：幾何模型保留功能結(jié)構(gòu)，忽略工藝結(jié)構(gòu)；物理邊界條件相關參數(shù)根據(jù)理論計算確定，忽略實際工況中的變化及波動。

然后分析模型內(nèi)流場，將排氣歧管計算流體域從模型空腔內(nèi)抽取出來后劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類型為四面體，單元數(shù)為810 918，節(jié)點數(shù)為157 399；流體域入口、出口設置如圖2 所示。鑒于流體域高溫煙氣湍流特征明顯，采用標準k-ε 湍流模型進行內(nèi)流場及溫度場計算；壁面使用對流換熱模型，采用溫度壁面；流體域入口溫度[4]取973 K。

圖2 排氣歧管流體域入口、出口設置示意圖

仿真計算邊界條件參數(shù)設置見表1。

表1 內(nèi)流場仿真計算邊界條件

將內(nèi)流場溫度分布結(jié)果映射到所建立的排氣歧管模型內(nèi)壁面，通過計算可得到固體內(nèi)壁面溫度分布情況；將內(nèi)壁面溫度場作為下一步求解固體域熱變形以及熱應力計算結(jié)果的熱邊界條件。分析過程中，排氣歧管材料采用碳素鋼Q235，其材料屬性見表2。

表2 碳素鋼Q235 材料屬性

排氣歧管入口處與發(fā)動機連接，因此在排氣歧管6 個入口處施加位移約束，對排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況進行計算。

2 仿真結(jié)果分析

流固耦合仿真分析所得排氣歧管外壁面溫度分布情況如圖3 所示。

圖3 碳素鋼Q235 排氣歧管外壁面溫度分布情況

碳素鋼Q235 排氣歧管的熱變形以及熱應力分布情況如圖4 所示。

圖4 碳素鋼Q235 排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況

圖3 與圖4 的仿真計算結(jié)果顯示：排氣歧管溫度在入口、出口處達到最大，整體變形向出口方向發(fā)展，出口位置變形量最大，達到2.235 2 mm；排氣歧管的平均變形量為0.892 mm，整體變形情況不嚴重。各尾氣通道與入口結(jié)合部位熱應力較大，原因是分析時在入口處施加了約束，導致入口處自由膨脹受到限制，機械應力與熱應力共同作用導致入口處出現(xiàn)應力集中；排氣歧管所承受的平均熱應力為1 002.2 MPa，遠遠超過了材料的屈服強度，容易發(fā)生塑性變形甚至出現(xiàn)開裂、漏氣現(xiàn)象，進而導致排氣歧管失效。

3 優(yōu)化設計

3.1 材料優(yōu)化

研究表明，排氣歧管所用材料必須在高溫下具備良好的抗氧化性能[9]。從上述分析計算結(jié)果可知，碳素鋼Q235 并不能滿足要求，應采用不銹鋼等高溫環(huán)境下強度依舊符合要求的材料[10]。

不銹鋼409 的材料屬性見表3。

表3 不銹鋼409 材料屬性

從表2 和表3 可知，與碳素鋼Q235 相比，不銹鋼409 的材料密度減小了1.91%、熱膨脹系數(shù)減小了15.38%、屈服強度增大了76.60%，理論上，不銹鋼409 更適于用作排氣歧管材料。

采用不銹鋼409 作為排氣歧管材料，對排氣歧管工作過程進行仿真計算。圖5 為不銹鋼409 排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況。

圖5 不銹鋼409 排氣歧管熱變形及熱應力分布情況

由圖5 可知，與使用碳素鋼Q235 相比，使用不銹鋼409，排氣歧管在工作過程中的熱變形與熱應力均有所減小，但排氣歧管的總體熱變形與熱應力依然偏大。為了進一步提高排氣歧管的工作可靠性，本文對不銹鋼409 排氣歧管進行優(yōu)化設計。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

實際工作環(huán)境中，在超載、超速或遇到特殊路況時，排氣歧管負荷大幅增加，失效可能性增大。為了進一步緩解排氣歧管熱應力集中現(xiàn)象，使整個排氣歧管裸露金屬表面溫度達到安全要求值，從而使排氣歧管在不同工作狀況下都符合使用要求，必須對排氣歧管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。為此，本文設計了一種全包覆水冷不銹鋼409 排氣歧管。其原理是：在排氣歧管通道周圍新增冷卻通道，通過在冷卻通道中通入冷卻水來降低排氣歧管溫度。

3.2.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真分析

為了更加貼合實際，仿真分析分為2 部分，分別對優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管空載和負載2 種工作狀態(tài)下排氣歧管熱變形以及熱應力分布情況進行仿真計算。其中，負載狀態(tài)下汽車負載質(zhì)量為5 000 kg。冷卻水入口流量為3 L/min，入口溫度為293 K；空載和負載狀態(tài)下冷卻水出口溫度分別為303 K 和337 K。圖6 為優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管空載狀態(tài)下熱變形以及熱應力分布情況。

圖6 優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管空載狀態(tài)下熱變形以及熱應力分布情況

由圖6 所示的計算結(jié)果可知，空載狀態(tài)下，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管平均變形量為0.025 mm，所承受的平均熱應力為50.0 MPa。

圖7 為優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管負載狀態(tài)下熱變形以及熱應力分布情況。

圖7 優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管負載狀態(tài)下熱變形及熱應力分布情況

由圖7 所示的計算結(jié)果可知，負載狀態(tài)下，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管平均變形量為0.024 mm，所承受的平均熱應力為47.0 MPa。

對比圖7 與表3 可知，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管，僅各尾氣通道與入口結(jié)合部位的熱應力稍大于材料的屈服強度；在2 種工作狀態(tài)下，排氣歧管整體承受的平均熱應力均大幅小于材料的屈服強度。

綜合仿真計算結(jié)果可知，優(yōu)化后的不銹鋼409排氣歧管，變形規(guī)律與原碳素鋼Q235 排氣歧管類似，同樣在出口處變形達到最大值；但整體變形情況不嚴重，符合使用需求。與原碳素鋼Q235 排氣歧管相比，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管，入口處所承受的熱應力大幅下降，排氣歧管整體承受的熱應力有所下降，緩解了熱應力集中現(xiàn)象。原因是優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管采用全包覆水冷結(jié)構(gòu)，冷卻水與高溫壁面接觸面積較大，有效提高了換熱效果；另外，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管，在工作過程中，高溫尾氣攜帶的部分熱量隨冷卻水從出口排出，有效降低了排氣歧管外壁面溫度。

相比于原碳素鋼Q235 排氣歧管，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管，安全可靠性大大提高，有效降低了排氣歧管工作過程中由于承受較大熱應力而出現(xiàn)疲勞、開裂等失效問題的可能性。

3.2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)試驗分析

為了驗證排氣歧管的優(yōu)化效果，本文對優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管不同位置的溫度進行測量，通過現(xiàn)場試驗對仿真結(jié)果進行驗證。溫度測量示意圖如圖8 所示。

圖8 溫度測量示意圖

將熱電偶通過銅膠帶固定于排氣歧管表面，使用熱電偶對排氣歧管空載及負載狀態(tài)下不同位置的溫度進行測量，共測量5 個位置。試驗分2 組進行，第1 組試驗分別對排氣歧管開始運行后空載以及負載狀態(tài)下的溫度進行測量，共測量6 組數(shù)據(jù)，測量時間間隔為3 min；排氣歧管停止運行后，進行第2 組試驗，分別對排氣歧管熄火時空載以及負載狀態(tài)下的溫度進行測量，共測量6 組數(shù)據(jù)，測量時間間隔為3 min。2 組試驗的測量結(jié)果分別見表4 和表5。

表4 運行狀態(tài)下排氣歧管溫度測量結(jié)果K

表5 熄火狀態(tài)下排氣歧管溫度測量結(jié)果K

從表4 和表5 所示的測量結(jié)果可以看出，運行狀態(tài)下，排氣歧管的溫度大體上逐漸升高，但整體溫度上升幅度較?。幌ɑ馉顟B(tài)下，排氣歧管溫度大體上逐漸降低。

優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管外壁面溫度分布情況如圖9 所示。

圖9 優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管外壁面溫度分布情況

通過Mechanical 模塊導出計算模型所有節(jié)點溫度，然后求平均值。根據(jù)圖3 得出：優(yōu)化前的碳素鋼Q235 排氣歧管，試驗所測壁面處的平均溫度為656.70 K；根據(jù)圖9 得出：優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管，相應壁面處的平均溫度為322.09 K。由此可知，與優(yōu)化前的碳素鋼Q235 排氣管相比，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣管，壁面溫度整體降低。從表4 的測量結(jié)果可知，相應壁面處所測最低溫度為303.38 K，最高溫度為377.49 K，仿真計算結(jié)果合理。

通過對比可知，優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管有效降低了排氣歧管的工作溫度、減小了排氣歧管的工作環(huán)境溫度梯度，進而減小了排氣歧管所承受的熱應力。

由于優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管設計采用全包覆水冷結(jié)構(gòu)的設計思路，在水冷換熱的仿真分析過程中，采用恒溫熱源條件進行極限能力分析。在實際工作過程中，壁面整體溫度會快速下降，熱流量遠小于仿真計算值，可確保排氣歧管符合安全條件。冷卻水域流場與2 類邊界直接相關，一類是與尾氣相互接觸的邊界壁面，該壁面溫度高，主要向冷卻水傳熱，將該類壁面邊界條件設定為恒溫邊界條件，計算過程中無限制供給熱量以保證該邊界居于高溫狀態(tài)；另一類邊界為冷卻水與外界空氣相互接觸的壁面，該類壁面邊界實際上存在冷卻水向外部環(huán)境散熱的過程，但計算過程中將該類璧面邊界條件定為絕熱邊界條件，使得冷卻水中熱量無法通過壁面?zhèn)鞯酵饨绛h(huán)境中，只能將所有熱量通過出口由冷卻水排出。通過這2 種壁面邊界條件使模型計算處于一種極端條件下，若在“高溫壁面恒溫+散熱壁面絕熱”的極端條件下，排氣歧管的冷卻效果能夠滿足理想要求，在實際的“高溫壁面最高熱流密度受限+散熱壁面輔助散熱”正常條件下，排氣歧管不僅可正常工作，而且可適當減少冷卻水流量，降低能耗。

4 結(jié)論

本文基于ANSYS Workbench 計算平臺，采用Fluent 計算模塊分析了排氣歧管在工作過程中涉及的尾氣排放、固體結(jié)構(gòu)材料之間的傳熱以及變形等物理過程，對仿真計算后排氣歧管的熱變形以及熱應力分布情況進行了分析，得出如下結(jié)論：

1）相對于碳素鋼Q235，不銹鋼409 的材料強度更高、高溫性能更好。在相同的工作狀態(tài)下，碳素鋼Q235 排氣歧管的平均變形是不銹鋼409 排氣歧管的2.75 倍左右，所承受的平均熱應力是不銹鋼409排氣歧管的1.23 倍左右。

2）優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管有效減小了排氣歧管工作過程中所承受的熱應力，提高了排氣歧管的工作穩(wěn)定性。

3）優(yōu)化后的不銹鋼409 排氣歧管，試驗所測位置溫度為303.38～377.49 K，平均溫度為340.43 K，由仿真計算得到的相應壁面平均溫度為348.85 K，試驗結(jié)果與仿真計算結(jié)果基本相符。

4）本文所設計的全包覆水冷不銹鋼409 排氣歧管，在空載以及負載狀態(tài)下都可以有效降低排氣歧管的壁面溫度。