某四缸柴油機排氣歧管流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王為凱+王軍+唐蘇陽+王吉照+楊杰

【摘 要】利用計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件對某四缸柴油機排氣歧管內(nèi)部流場進行分析，發(fā)現(xiàn)排氣歧管進口、出口及主體轉(zhuǎn)彎處均存在氣體流速過高，彎管處存在較大渦流等現(xiàn)象?；趯?nèi)流場渦流及速度不均勻處的分析，對排氣歧管進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使流場速度分布更加均勻，模型改進后1號進口條件的出口質(zhì)量流率從0.210kg/s提升到0.410kg/s，2號進口條件的出口質(zhì)量流率從0.330kg/s提升到0.383kg/s，故可有效改善氣體排出狀況。

【關(guān)鍵詞】柴油機；排氣；流場；優(yōu)化

【Abstract】By using the computational fluid dynamics（CFD）software，a four cylinder diesel engine exhaust manifold internal flow field were analyzed.It is found that the rate of gas flow in the principal part of the exhaust manifold import，export and corner and bend the phenomenon such as large eddy current there.Based on the internal flow filed uneven eddy current and speed of analysis was carried out on the exhaust manifold structure optimization，the flow field velocity distribution is more even.At the same time， import export quality flow rate under the condition of no. 1 from 0.210 kg/s to 0.410kg/s，2 import export under the condition of mass flow rate from 0.330kg/s to 0.383kg/s， greatly improve the gas discharge conditions.

【Key words】Diesel；Exhaust；Flow field；Optimization

0 引言

作為發(fā)動機排氣系統(tǒng)主要部件之一，排氣岐管對發(fā)動機的動力性能、排放以及噪聲具有重大影響。為改善排氣過程，降低排氣阻力和噪聲，控制污染物的排放，對發(fā)動機排氣岐管進行研究具有重要意義[1]。柴油機排氣歧管內(nèi)流場均勻性直接影響排氣暢通性，可導(dǎo)致出口質(zhì)量流率過低、噪聲污染較大等問題。另外，流場內(nèi)的氣體渦旋不僅造成氣體流動受阻，也會造成能量耗散。優(yōu)化排氣岐管結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部流場更加均勻并削弱渦旋，可極大地改善排氣岐管性能。

CFD是以流體動力學(xué)以及數(shù)值計算方法為基礎(chǔ)，通過計算機數(shù)值計算和圖像后處理方法，直觀顯示出流場信息，為氣道的設(shè)計和改進提供重要的理論依據(jù)[2]同時也可減少實驗盲目性，縮短開發(fā)周期。黃澤好等人[3]研究了各缸單管流速分布和三效催化劑前端截面的流速分布，依據(jù)分析結(jié)果對排氣岐管進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實驗發(fā)現(xiàn)改進后的排氣岐管性能有明顯改善；鄒建等人[4]對排氣管內(nèi)部流場進行計算分析，設(shè)計了雙脈沖排氣岐管，有效提升了柴油機在低速工況運行的扭矩輸出特性，同時排放也有所改善；蔣宇等人[5]較為細致地論述了當(dāng)前在發(fā)動機排氣岐管數(shù)值模擬及應(yīng)用中所面臨的主要問題，簡述了排氣岐管數(shù)值模擬應(yīng)用的未來研究方向，并對其難點進行了剖析。

1 CFD模型建立

首先利用CAD SolidWdorks軟件對某四缸柴油機排氣歧管內(nèi)部區(qū)域進行建模，其三維幾何模型如圖1所示，該排氣歧管的四個進口為方管且關(guān)于出口管軸線對稱，出口管為有一定的拔模斜度的圓管。在分析流場的基礎(chǔ)上，對原排氣歧管結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后的排氣歧管模型如圖2所示，主要將圖2中1處和2處的轉(zhuǎn)彎角度增大到100°以上，將3處改為大角度圓弧過渡。

然后利用CFD軟件ANSYS Fluent對模型進行網(wǎng)格劃分，采用不規(guī)則全四面體網(wǎng)格[6]，邊界層數(shù)為1，對轉(zhuǎn)彎處進行網(wǎng)格加密，對20萬、30萬和40萬數(shù)量的網(wǎng)格模型進行試算，最終選用計算精度足夠且計算用時較少的網(wǎng)格方案，確定的方案劃分網(wǎng)格數(shù)量為33萬個，節(jié)點數(shù)量為11萬。

2 Fluent計算原理及設(shè)置

ANSYS Fluent有限元的計算方式為標(biāo)準(zhǔn)的求解N-S方程組迭代求解方式：采用有限體積法將計算區(qū)域離散成許多小的體積單元，對離散后的體積單元給定初始值，通過聯(lián)立求解每個體積單元上的N-S方程，不斷順序地逐個求解，直到計算達到收斂。

采用SIMPLE算法以解決壓力項及速度項之間的耦合關(guān)系。湍流模型采用RNG k-ε模型，湍流動能方程κ和擴散方程ε為：

3 CFD計算結(jié)果分析

分別將原排氣歧管和優(yōu)化后歧管的兩個不同進口條件下的流場進行對比分析，驗證優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的合理性。對CFD模型的流場分析主要以速度分布為主，平均速度越大，流場內(nèi)單位時間內(nèi)流出氣體越多；速度的分布跨度越小則代表速度分布越均勻，氣體流動越平穩(wěn)，噪音越少。

3.1 1號進口條件下計算結(jié)果分析

原排氣岐管1號進口條件下的速度分布如圖3所示，從圖中可以看出，從1號進口排氣時，管內(nèi)流速存在幾次大小上的較大改變，主要集中在氣體流動的轉(zhuǎn)角處，在流場內(nèi)速度分布層次較多，不均勻，并且整個流場內(nèi)的平均速度較低。另外在原排氣管出口的彎管處存在一個較大渦旋。主要是因為兩次轉(zhuǎn)角的過渡弧度較小，氣體在流道內(nèi)不能平穩(wěn)過渡。endprint

優(yōu)化后排氣管1號條件下的速度分布圖如圖4所示，從圖中可以看出優(yōu)化后的模型管內(nèi)流速十分均勻，沒有較大或較多的的變化并且平均速度較高。由此可以看出，優(yōu)化后模型的1、2兩處增大過渡弧度更符合管內(nèi)氣體流動規(guī)律。而且原排氣管存在的較大渦旋得到了消除，氣體的流通更加順暢，有效地減少了能量的耗散。

經(jīng)過計算，原模型出口的氣體質(zhì)量流率為0.210kg/s，而優(yōu)化后的模型出口氣體質(zhì)量流率為0.410kg/s，比原模型提高了95.24%，模型的流通能力大大增強。

3.2 2號進口條件下計算結(jié)果分析

原排氣岐管2號進口條件下的速度分布圖如圖5所示，從圖中可以看出，在排氣岐管內(nèi)流場的速度分布較破碎，局部存在著過高的速度，整體上速度分布不均勻，平均速度較低。

優(yōu)化后的排氣岐管2號進口條件下的速度分布圖如圖6所示，從圖中可以看出相對于原排氣岐管，優(yōu)化后排氣岐管內(nèi)流場未出現(xiàn)較高速度，整體流速較為均勻，原本在1處存在的渦旋也消失了。這說明在2處用圓管過渡更符合管內(nèi)氣體流動規(guī)律，能有效減少能量耗散。

經(jīng)計算，原模型出口處氣體質(zhì)量流率為0.330kg/s而改進后出口質(zhì)量流率為0.383kg/s，提高了16.06%，有效提高氣體流通能力。

4 結(jié)果

通過建立排氣岐管的計算動力學(xué)模型，對原排氣岐管和優(yōu)化后的排氣岐管模型進行了內(nèi)流場的對比分析，得出了如下的結(jié)論：

1）各缸排氣管道內(nèi)氣流均勻性顯著提高，管道內(nèi)氣體流通阻力下降，各缸的質(zhì)量流率有所增加，優(yōu)化后模型在1號進口條件下出口質(zhì)量流率由原來的0.210kg/s增大到0.410kg/s，在2號條件下出口流率由原來的0.330kg/s增大到0.383kg/s，比原模型同條件下分別提升了95.24%和16.06%；

2）原先出口和彎管處存在的渦旋在優(yōu)化后消失，由渦旋帶來的能量損失有所減少，氣流噪聲有所減輕；

3）原模型體積為498728mm3，優(yōu)化后模型體積為454599mm3，在改善氣體流通性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化后的排氣歧管結(jié)構(gòu)可以節(jié)省材料的使用。

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[責(zé)任編輯：田吉捷]endprint