发动机排气歧管流固耦合热特性分析

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－５０９Ｘ．２０１７．１２．００３

发动机排气歧管流固耦合热特性分析

郑习娇１

，陈吉清１

，兰凤崇１

，张晓东

２

（１．华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 ５１０６４０）

（２．中国电器科学研究院工业产品环境适应性国家重点实验室，广东广州 ５１０６６３）摘要：发动机排气歧管工作环境恶劣，容易产生热应力和热负荷，造成局部变形甚至热裂漏气等故障。对排气歧管温度场以及热应力、热变形的分析有利于指导排气歧管的设计，提高排气歧管疲劳寿命。选取不同的入口边界条件，分析排气歧管的内流场温度，并采用顺序流固耦合方法，计算排气歧管的热应力和热变形。结果表明，排气歧管入口温度越高、速度越大，内流场温度差就越大，最低温度也越高；在排气歧管入口处及出口处热应力和热变形均较大，最大热应力为３２０ＭＰａ。

关键词：排气歧管；流固耦合；温度场；热应力

中图分类号：ＴＨ１６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－５０９Ｘ（２０１７）１２－００１３－０５ 排气歧管是连接排气总管和汽缸的桥梁，由于汽缸排出的高温废气直接到达排气歧管，因此排气歧管运行温度较高，导致壁面剧烈的热膨胀，而复杂的结构使排气歧管热膨胀受到限制，产生热应力和热载荷，如果热应力超过了材料的屈服极限，材

料的变形就会加剧甚至损坏、破裂［１］

，影响排气歧管的疲劳寿命。排气歧管在运行时受到热冲击和

机械振动的影响，研究表明［２］

，振动所产生的机械应力对排气歧管疲劳寿命的影响并不大，因此良好的热特性对于排气歧管的疲劳寿命具有重要的作用。此外，高温气体由排气歧管经过排气管排出车外，排气歧管内的废气温度直接影响排气温度，若排气管内气体温度较高，在冬季排气管容易出现滴水而造成路面结冰，同时排气歧管壁面的热量辐射到周围附件上，影响发动机舱内的热环境。

针对排气歧管出现的问题，国内外研究人员做

了很多研究工作。朱晴等［３］

针对排气歧管的开裂问题，计算了排气歧管的温度场和热应力分布，证实开裂的原因是由热应力过高所致。孙立旺、李红

庆等［４－５］

采用直接流固耦合的方法，通过对排气歧管内流场的计算，得到内壁面的热边界条件，再通过有限元方法获得排气歧管的热应力。邓帮林等［６］

运用双向流固耦合方法计算排气歧管热应

力，不断迭代固体流体之间的热量传递，得到了较

为准确的结果。董非等［７］

介绍了排气歧管热应力分析中３种不同的流固耦合数据传递方法，并对其

优缺点和计算精度进行了比较。刘凯敏等［８］

在对排气歧管应力应变分析的基础上，对疲劳寿命进行

了预测。ＧＡＬＩＮＤＯ等［９］

对不同设计的排气歧管进行分析，衡量发动机的性能以及能量损失，最终给

出优化的排气歧管。ＦＵ等［１０］

采用ＣＦＤ－ＦＥ方法对液冷排气歧管进行了热应力和疲劳寿命的计算。

不同的行驶条件下，发动机在不同的转速下持续运转，导致排气歧管入口处废气的流动速度和温度发生变化，从而影响排气歧管内的温度场分布。排气歧管的温度场作为流固耦合计算的热边界条件，是热应力热变形分析的基础。本文利用ＡＮ－ＳＹＳ软件对不同入口条件下的排气歧管温度场进行分析，利用顺序流固耦合数据传递方法，采用计算流体力学与有限元结构分析相结合的方法，计算排气歧管的热应力和热变形，通过分析排气歧管的热特性，为排气歧管设计、改良提供参考。

１ 理论分析

排气歧管内部是高温废气流动形成的热流场，而固体壁面在流场载荷作用下会产生变形，流体介

收稿日期：２０１７－０８－１５

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７５１７０）；广州市科技计划项目（２０１７０７０２００４５）；工业产品环境实验室国家重点实验室开放基金

项目

作者简介：郑习娇（１９９３—），女，山东日照人，华南理工大学硕士研究生，主要研究方向为汽车热管理。

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３１·２０１７年１２月 机械设计与制造工程 Ｄｅｃ．２０１７第４６卷第１２期 ＭａｃｈｉｎｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．４６Ｎｏ．１２万方数据