CN106844899A - 排气歧管稳态温度场的检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种排气歧管稳态温度场的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)通过发动机性能仿真软件创建发动机一维模型；步骤2)发动机台架性能试验得到发动机实际的性能数据；步骤3)利用软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；步骤4)利用CFD仿真软件计算出排气歧管内流场和速度；步骤5)找出CFD计算结果中排气歧管内壁速度马赫数大于1的部位；步骤6)将优化好的排气歧管再次CFD仿真计算；步骤7)对排气歧管及周边所有零件包括隔热罩、入口法兰和后法兰网格划分；步骤8)设置排气歧管材料属性；步骤9)将完整的排气歧管传热网格模型和材料属性输入到辐射换热仿真软件中。更接近模拟排气歧管的实际工作环境，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及内燃机的排气歧管仿真技术领域，具体说是一种排气歧管稳态温度场的检测方法。
背景技术
汽车发动机排气歧管装置的主要功能是汇集发动机各缸排出的高温废气并尽可能完全的排出发动机。排气歧管工作时是一个复杂的传热过程，在导热、对流换热和辐射换热同时作用下排气歧管材料温度极高，极易因热应力和热变形而发生开裂等失效模式。随着CAE分析技术在汽车领域的广泛应用，通过FEA计算方法可以计算出排气歧管工作时的应力应变，为排气歧管的设计和优化提供指导方向。FEA计算前需要得到排气歧管的温度场，现有的方法是用CFD方法计算出排气歧管内流场和对流换热系数，得出排气歧管的温度场。这种方法只体现了排气歧管固体的导热和内部气体的对流换热，忽略了外部环境特别是增加了排气歧管隔热罩之后的辐射换热对排气歧管温度场的影响，试验证明增加隔热罩后排气歧管材料表面温度会增加30~50℃，这一变化对排气歧管的应力和应变计算产生很大的影响。此外，目前的模拟计算方法还需要与之相符的试验验证才能保证计算模型的准确性。因此需要一种新的更加符合实际情况的排气歧管温度场计算方法。
发明内容
本发明的目的是一种排气歧管稳态温度场的计算方法，从根本上解决了现有方法忽略外部环境和排气歧管隔热罩辐射换热对排气歧管温度场的影响，更接近模拟排气歧管的实际工作环境，易于操作。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：该排气歧管稳态温度场的计算方法，其技术要点是，包括以下步骤：
步骤1)通过发动机性能仿真软件GT-Power创建发动机一维模型，计算得到曲轴转角范围为0°CA~1440°CA的排气歧管进口的质量流量和入口温度，同时得到出口的压力和温度，作为CFD计算所需的排气歧管进出口边界条件；
步骤2)发动机台架性能试验得到发动机实际的性能数据，对一维计算结果校核，为下一步计算提供更加准确的数据；
步骤3)利用Hypermesh软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；利用CFD仿真软件StarCCM+计算出排气歧管内流场和速度马赫数；计算时输入的排气歧管进出口边界条件为发动机；
步骤4)利用CFD仿真软件Star CCM+计算出排气歧管内流场和速度马赫数；计算时输入的排气歧管进出口边界条件为发动机性能仿真软件GT-Power计算得到的结果，壁面边界条件给定恒定的温度1000K，排气歧管内流场瞬态控制方程采用可压缩N-S方程，湍流模型采用标准k-ε模型；
步骤5)找出CFD计算结果中排气歧管内壁速度马赫数大于1的部位，通过增大圆角和分散集中点等方式优化排气歧管三维数模，避免排气歧管内壁产生热应力集中点；
步骤6)将优化好的排气歧管再次CFD仿真计算，将计算结果中壁面的换热系数和流体温度映射到排气歧管网格上，得到壁面换热系数和流体温度分布，利用时间平均法得到内壁面稳态对流换热系数和温度场，并将其直接映射到内壁面上作为下一步骤的边界条件；
步骤7)对排气歧管及周边所有零件包括隔热罩、入口法兰和后法兰网格划分，建立完整的排气歧管传热的网格模型，用于辐射换热的计算；将完整的排气歧管传热网格模型和材料属性输入到辐射换热仿真软件Radtherm中，以CFD软件计算结果作为排气歧管内壁面的边界条件，把排气歧管外壁面和隔热罩内外表面都设置为与大气环境直接接触，计算出换热系数；
步骤8)设置排气歧管材料属性：
入口法兰为SUS441，厚度为3mm，表面辐射率为0.9；
排气歧管为SUS441，厚度为2mm，表面辐射率为0.9；
出口法兰为Q235，厚度为8mm，表面辐射率为0.9；
隔热罩为三层结构，内外两层为铝箔材料，厚度为0.3mm，表面辐射率为0.15，中间层为石墨材料，导热性极差，辐射率可以忽略不计；
步骤9)将完整的排气歧管传热网格模型和材料属性输入到辐射换热仿真软件Radtherm中，以CFD软件计算结果作为排气歧管内壁面的边界条件，把排气歧管外壁面和隔热罩内外表面设置为与大气环境直接接触，换热系数通过计算得到；最终计算出能够较真实的模拟实际环境的排气歧管温度场结果，为排气歧管的应力应变计算输出准确数据。
本发明的有益效果：可实现理论和实际的高度结合，首先发动机一维仿真计算结果要经过发动机台架性能试验的验证和校核，保证理论计算结果与实际结果相符合；其次，利用CFD计算得到排气歧管内部流场和速度马赫数，对排气歧管流速过高的区域数模优化，避免排气歧管内壁面存在热应力集中点；再次，对优化后的排气歧管数模CFD计算，得到内壁面稳态对流换热系数和温度环境；最后，利用辐射换热仿真软件，把排气歧管隔热罩加入计算当中，这样计算得到的温度场数据更加符合实际情况。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1，通过具体实施例详细说明本发明的内容。该排气歧管稳态温度场的计算方法，包括以下步骤：
步骤1)通过发动机性能仿真软件GT-Power创建发动机一维模型，计算得到曲轴转角范围为0°CA~1440°CA的排气歧管进口的质量流量和入口温度，同时得到出口的压力和温度，作为CFD计算所需的排气歧管进出口边界条件；
步骤2)发动机台架性能试验得到发动机实际的性能数据，对一维计算结果校核，为下一步计算提供更加准确的数据；
步骤3)利用Hypermesh软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；利用CFD仿真软件StarCCM+计算出排气歧管内流场和速度马赫数。计算时输入的排气歧管进出口边界条件为发动机；
步骤4)利用CFD仿真软件Star CCM+计算出排气歧管内流场和速度马赫数。计算时输入的排气歧管进出口边界条件为发动机性能仿真软件GT-Power计算得到的结果，壁面边界条件给定恒定的温度1000K，排气歧管内流场瞬态控制方程采用可压缩N-S方程，湍流模型采用标准k-ε模型；
步骤5)找出CFD计算结果中排气歧管内壁速度马赫数大于1的部位，通过增大圆角和分散集中点等方式优化排气歧管三维数模，避免排气歧管内壁产生热应力集中点；
步骤6)将优化好的排气歧管再次CFD仿真计算，将计算结果中壁面的换热系数和流体温度映射到排气歧管网格上，得到壁面换热系数和流体温度分布，利用时间平均法得到内壁面稳态对流换热系数和温度场，并将其直接映射到内壁面上作为下一步骤的边界条件；
步骤7)对排气歧管及周边所有零件包括隔热罩、入口法兰和后法兰网格划分，建立完整的排气歧管传热的网格模型，用于辐射换热的计算；将完整的排气歧管传热网格模型和材料属性输入到辐射换热仿真软件Radtherm中，以CFD软件计算结果作为排气歧管内壁面的边界条件，把排气歧管外壁面和隔热罩内外表面都设置为与大气环境直接接触，计算出换热系数；
步骤8)设置排气歧管材料属性：
入口法兰为SUS441，厚度为3mm，表面辐射率为0.9；
排气歧管为SUS441，厚度为2mm，表面辐射率为0.9；
出口法兰为Q235，厚度为8mm，表面辐射率为0.9；
隔热罩为三层结构，内外两层为铝箔材料，厚度为0.3mm，表面辐射率为0.15，中间层为石墨材料，导热性极差，辐射率可以忽略不计；
步骤9)将完整的排气歧管传热网格模型和材料属性输入到辐射换热仿真软件Radtherm中，以CFD软件计算结果作为排气歧管内壁面的边界条件，把排气歧管外壁面和隔热罩内外表面设置为与大气环境直接接触，换热系数通过计算得到。最终计算出能够较真实的模拟实际环境的排气歧管温度场结果，为排气歧管的应力应变计算输出准确数据。
Claims (1)
1.一种排气歧管稳态温度场的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)通过发动机性能仿真软件GT-Power创建发动机一维模型，计算得到曲轴转角范围为0°CA~1440°CA的排气歧管进口的质量流量和入口温度，同时得到出口的压力和温度，作为CFD计算所需的排气歧管进出口边界条件；
步骤2)发动机台架性能试验得到发动机实际的性能数据，对一维计算结果校核，为下一步计算提供更加准确的数据；
步骤3)利用Hypermesh软件创建排气歧管内流场CFD网格模型；利用CFD仿真软件StarCCM+计算出排气歧管内流场和速度马赫数；计算时输入的排气歧管进出口边界条件为发动机；
步骤4)利用CFD仿真软件Star CCM+计算出排气歧管内流场和速度马赫数；计算时输入的排气歧管进出口边界条件为发动机性能仿真软件GT-Power计算得到的结果，壁面边界条件给定恒定的温度1000K，排气歧管内流场瞬态控制方程采用可压缩N-S方程，湍流模型采用标准k-ε模型；
步骤5)找出CFD计算结果中排气歧管内壁速度马赫数大于1的部位，通过增大圆角和分散集中点等方式优化排气歧管三维数模，避免排气歧管内壁产生热应力集中点；
步骤6)将优化好的排气歧管再次CFD仿真计算，将计算结果中壁面的换热系数和流体温度映射到排气歧管网格上，得到壁面换热系数和流体温度分布，利用时间平均法得到内壁面稳态对流换热系数和温度场，并将其直接映射到内壁面上作为下一步骤的边界条件；
步骤7)对排气歧管及周边所有零件包括隔热罩、入口法兰和后法兰网格划分，建立完整的排气歧管传热的网格模型，用于辐射换热的计算；将完整的排气歧管传热网格模型和材料属性输入到辐射换热仿真软件Radtherm中，以CFD软件计算结果作为排气歧管内壁面的边界条件，把排气歧管外壁面和隔热罩内外表面都设置为与大气环境直接接触，计算出换热系数；
步骤8)设置排气歧管材料属性：
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