CN109002617A - 一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，包括：1、利用CAD建模软件创建固体域和流体域的参数化几何模型；2、建立固体域和流体域的网格模型；3、建立发动机整机热力学模型，并控制发动机热力学计算值与发动机外特性试验数据的相对误差；4、定义对流换热和热辐射的热边界条件；5、执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算。本发明能弥补排气歧管和气阀室罩盖设计过程中难以直接评估排气歧管温度场分布和热辐射水平状况，解决排气歧管开裂失效以及因热辐射气阀室罩盖出现熔化的问题。

Description

一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法

技术领域

本发明涉及内燃机排气系统技术领域，特别涉及一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法。

背景技术

随着世界发达国家的环保机构相继制定并颁发严苛的内燃机排放法规和燃油经济性指标，因而具备轻量化，高功率密度和低排放的内燃机将成为未来的主流开发产品，然而，为了实现内燃机更高的动力输出以及SCR选择性催化还原系统的催化转换效率，必将导致排气歧管热负荷的急剧上升，从而可能产生排气歧管开裂失效以及因热辐射气阀室罩盖出现熔化的问题。

排气歧管通常必须承受极高的热负荷，这是因为排气歧管的内壁面直接与高温排气接触，并且排气歧管只能通过缸盖热传导，热辐射和空气对流换热的方式进行冷却，从而有可能导致排气歧管局部位置出现较大的温度梯度和最高温度超出材料所能承受的极限。由于热辐射是一种以电磁波传播能量的现象，因此可不依靠零部件的接触来传递能量。若排气歧管的温度越高，排气歧管辐射出的总能量也就越大。当排气歧管周围的零部件相互间的距离太近时，因受排气歧管热辐射的影响周围零部件的温度也会急剧增高，比如在实际试验过程中因热辐射作用塑料材质的气阀室罩盖的局部位置可能会出现熔化的现象。

发明内容

本发明目的在于弥补排气歧管和气阀室罩盖设计过程中难以直接评估排气歧管温度场分布和热辐射水平状况，提出一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，以期在试制排气歧管和气阀室罩盖样件之前对排气歧管温度场以及二者之间的热辐射水平进行评估，以解决排气歧管开裂失效以及因热辐射气阀室罩盖出现熔化的问题。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1、在CAD建模软件中创建固体域和流体域的参数化几何模型，并导出固体域的参数化几何模型的stp格式文件和流体域的参数化几何模型的stl格式文件；所述固体域的参数化几何模型包括：缸盖、排气歧管、气阀室罩盖、增压器的涡轮壳和紧固螺栓；所述流体域的参数化几何模型为排气通道；

步骤2、在Hyperworks软件中导入所述固体域的参数化几何模型的stp格式文件，并使用Hypermesh网格划分模块工具建立固体域的网格模型，同时利用Mesh Check网格检查工具对所述固体域的网格模型进行检查，从而输出所述固体域的inp网格文件；将所述流体域的参数化几何模型的stl格式文件导入三维CFD流体力学分析软件中，并使用FameHybrid Assistant网格划分模块工具进行网格划分，从而建立流体域的网格模型；

步骤3、采用发动机热力学分析软件建立发动机整机热力学模型，执行所述发动机整机热力学的仿真，从而得到发动机热力学计算值；依据发动机外特性试验数据对所述发动机整机热力学模型重新进行标定，从而使得所述发动机热力学计算值与所述发动机外特性试验数据的相对误差控制在Δ％以内；将所述发动机整机热力学模型的排气道入口和排气歧管出口的计算结果导出dat格式文件作为一维热力学边界条件；所述一维热力学边界条件的进口边界为排气的质量流量和温度，出口边界为排气的静压和温度；

步骤4、定义对流换热和热辐射的热边界条件

步骤4.1、定义变量n，并初始化n＝1；

步骤4.2在所述三维CFD流体力学分析软件中建立流体域的瞬态分析模型，并用所述一维热力学边界条件对所述流体域中的排气道入口和排气歧管出口施加边界，同时为流体域外表面指定一个估算的平均温度值，从而执行第n次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n次迭代的瞬态CFD计算得到的流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度并作为第n次迭代的CFD数据；

步骤4.3在ANSYS软件中导入所述固体域的inp网格文件，并将所述第n次迭代的CFD数据映射至所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格，从而得到所述固体域的排气侧对流换热的热边界条件；定义所述固体域的inp网格文件中的排气歧管外壁面的FEA面网格和气阀室罩盖外壁面的FEA面网格的热边界条件为空气的自然对流换热系数和试验环境温度；

步骤4.4在所述ANSYS软件中的热辐射模块中采用Radiosity热辐射求解方法对所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换进行计算：

a)在所述固体域的inp网格文件中指定两组Named Selections面选择，并指定每组所述Named Selections面选择具有相同的Emissivity辐射率，从而使得两组所述NamedSelections面选择的面与面之间存在相互热辐射作用；

b)在所述ANSYS软件中插入命令流对象，并将所述Radiosity热辐射求解方法用APDL参数化设计语言命令流进行编译，从而计算得到所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换；

步骤5执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算

步骤5.1、在所述ANSYS软件中Engineering Data工程数据模块的Material材料库中分别定义缸盖、排气歧管和增压器的涡轮壳的材料属性、气阀室罩盖的材料属性以及紧固螺栓的材料属性；

步骤5.2、在所述ANSYS软件中针对所述固体域的inp网格文件建立考虑热辐射的稳态传热模型，并调用Steady-state thermal solver稳态传热求解器后，选择并激活Temperature温度和Radiation辐射的标签，从而执行第n次迭代的稳态传热计算，获得所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的温度场数据并作为第n次迭代的FEA数据；

步骤5.3将所述第n次迭代的FEA数据导入所述三维CFD流体力学分析软件中，并在所述流体域的瞬态分析模型中使用所述第n次迭代的FEA数据替换所述流体域外表面的估算的平均温度值后，执行第n+1次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n+1次迭代的瞬态CFD计算得到的所述流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度作为第n+1次迭代的CFD数据；

步骤5.4在所述ANSYS软件中导入所述第n+1次迭代的CFD数据，并替换所述固体域的排气侧的所述第n次迭代的CFD数据，从而针对所述考虑热辐射的稳态传热模型进行第n+1次迭代的稳态传热计算，从而得到所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的第n+1次迭代的温度场数据并作为第n+1次迭代的FEA数据，若所述第n+1次迭代的FEA数据与所述第n次迭代的FEA数据之间的最大温差小于Δ℃，则表示稳态传热的计算结果收敛，从而结束所述固体域与流体域的间接耦合迭代计算，否则，将所述第n+1次迭代的FEA数据替换所述第n次迭代的FEA数据，并将n+1赋值给n后，返回步骤5.3。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，可以在试制排气歧管和气阀室罩盖样件之前了解排气歧管的温度场和热辐射水平的情况，并衡量排气歧管与气阀室罩盖的距离是否设计合理以及判定排气管温度是否超出材料所能承受的温度极限，从而解决了在发动机试验阶段出现的排气歧管开裂失效以及因热辐射气阀室罩盖的局部位置出现熔化的问题。

2、本发明通过在ANSYS软件中插入关于热辐射的插入命令流对象，经计算得到排气歧管与气阀室罩盖之间的热辐射能量交换，从而解决了传统排气歧管分析方法中无法考虑零部件之间存在的热辐射的问题。

3、本发明通过结合发动机外特性试验数据对发动机整机热力学模型进行标定，有效控制了发动机热力学计算值与发动机外特性试验数据的相对误差，从而提高了发动机整机热力学模型计算结果的精度，并提供了更为精确的一维热力学边界条件。

4、本发明通过流体域的瞬态分析和稳态传热分析过程中所需热边界条件的相互映射，实现了固体域与流体域的间接耦合迭代计算，在保证间接耦合迭代计算结果的精度情况下缩短了模拟分析所消耗的计算时间。

附图说明

图1展示为本发明的一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，如图1所示，主要包括以下步骤：1、利用CAD建模软件创建固体域和流体域的参数化几何模型，并分别导出固体域的参数化几何模型的stp格式文件和流体域的参数化几何模型的stl格式文件；2、建立固体域和流体域的网格模型，并导出固体域的inp网格文件；3、建立发动机整机热力学模型，并控制发动机热力学计算值与发动机外特性试验数据的相对误差；4、定义对流换热和热辐射的热边界条件；5、执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算，若不满足设计要求，则调整参数化几何模型，重新执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算，若满足设计要求，则完成计算报告的撰写并将报告存档，最终完成整个模拟分析任务。具体的说，其实施步骤描述如下：

步骤1、在CAD建模软件中创建固体域和流体域的参数化几何模型，并导出固体域的参数化几何模型的stp格式文件和流体域的参数化几何模型的stl格式文件；固体域的参数化几何模型包括：缸盖、排气歧管、气阀室罩盖、增压器的涡轮壳和紧固螺栓；流体域的参数化几何模型为与高温排气直接接触的排气通道；

步骤2、在Hyperworks软件中导入固体域的参数化几何模型的stp格式文件，并使用Hypermesh网格划分模块工具建立固体域的网格模型，同时利用Mesh Check网格检查工具对固体域的网格模型进行检查，从而输出固体域的inp网格文件；将流体域的参数化几何模型的stl格式文件导入三维CFD流体力学分析软件中，并使用Fame HybridAssistant网格划分模块工具进行网格划分，从而建立流体域的网格模型；

步骤3、采用发动机热力学分析软件建立发动机整机热力学模型，执行发动机整机热力学的仿真，从而得到发动机热力学计算值；依据发动机外特性试验数据对发动机整机热力学模型重新进行标定，从而使得发动机热力学计算值与发动机外特性试验数据的相对误差控制在Δ为1～5％的范围以内；将发动机整机热力学模型的排气道入口和排气歧管出口的计算结果导出dat格式文件作为一维热力学边界条件；一维热力学边界条件的进口边界为排气的质量流量和温度，出口边界为排气的静压和温度；本实施例中，Δ＝5；

步骤4、定义对流换热和热辐射的热边界条件

步骤4.1、定义变量n，并初始化n＝1；

步骤4.2在三维CFD流体力学分析软件中建立流体域的瞬态分析模型，并用一维热力学边界条件对流体域中的排气道入口和排气歧管出口施加边界，同时为流体域外表面指定一个估算的平均温度值，从而执行第n次迭代的瞬态CFD计算；将第n次迭代的瞬态CFD计算得到的流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度并作为第n次迭代的CFD数据；

步骤4.3在ANSYS软件中导入固体域的inp网格文件，并将第n次迭代的CFD数据映射至固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格，从而得到固体域的排气侧对流换热的热边界条件；定义固体域的inp网格文件中的排气歧管外壁面的FEA面网格和气阀室罩盖外壁面的FEA面网格的热边界条件为空气的自然对流换热系数和试验环境温度；

步骤4.4在ANSYS软件中的热辐射模块中采用Radiosity热辐射求解方法对固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换进行计算：

a)在固体域的inp网格文件中指定两组Named Selections面选择，并指定每组Named Selections面选择具有相同的Emissivity辐射率，从而使得两组Named Selections面选择的面与面之间存在相互热辐射作用。本实施例中，选取排气歧管外壁面作为REGION_A和气阀室罩盖外壁面作为REGION_B，并将REGION_A和REGION_B归类到编号为1的Enclosure热辐射空间，从而针对编号为1的Enclosure热辐射空间建立命令流对象；

b)在ANSYS软件中插入命令流对象，并将Radiosity热辐射求解方法用APDL参数化设计语言命令流进行编译，从而计算得到固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换，本实施例中，具体的APDL参数化设计语言命令流如下所示：

sf,REGION_A,rdsf,0.85,1

sf,REGION_B,rdsf,0.24,1

stef,5.67e-8

spctemp 313.15

hemiopt,100

tunif,293.15

APDL参数化设计语言命令流的解释如下：sf为Named Selections面选择的类型定义为rdsf辐射面，并分别定义REGION_A的辐射率为0.85和REGION_B的辐射率为0.24；1表示编号为1的Enclosure热辐射空间，因编号为1的Enclosure热辐射空间不是封闭的，从而需要使用spctemp命令指定环境的温度；stef命令指定Stefan–Boltzmann斯蒂芬-玻尔兹曼常数；hemiopt命令用于设置viewfactor视角系数的求解精度，其默认之为10，本实施例中增加到100；tunif命令用来指定固体域的input网格文件中所有节点的初始温度值。

步骤5执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算

步骤5.1、在ANSYS软件中Engineering Data工程数据模块的Material材料库中分别定义缸盖、排气歧管和增压器的涡轮壳的材料属性、气阀室罩盖的材料属性以及紧固螺栓的材料属性；

步骤5.2、在ANSYS软件中针对固体域的inp网格文件建立考虑热辐射的稳态传热模型，并调用Steady-state thermal solver稳态传热求解器后，选择并激活Temperature温度和Radiation辐射的标签，从而执行第n次迭代的稳态传热计算，获得固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的温度场数据并作为第n次迭代的FEA数据；

步骤5.3将第n次迭代的FEA数据导入三维CFD流体力学分析软件中，并在流体域的瞬态分析模型中使用第n次迭代的FEA数据替换流体域外表面的估算的平均温度值后，执行第n+1次迭代的瞬态CFD计算；将第n+1次迭代的瞬态CFD计算得到的流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度作为第n+1次迭代的CFD数据；

步骤5.4在ANSYS软件中导入第n+1次迭代的CFD数据，并替换固体域的排气侧的第n次迭代的CFD数据，从而针对考虑热辐射的稳态传热模型进行第n+1次迭代的稳态传热计算，从而得到固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的第n+1次迭代的温度场数据并作为第n+1次迭代的FEA数据，若第n+1次迭代的FEA数据与第n次迭代的FEA数据之间的最大温差小于5℃，则表示稳态传热的计算结果充分收敛，从而结束固体域与流体域的间接耦合迭代计算，否则，将第n+1次迭代的FEA数据替换第n次迭代的FEA数据，并将n+1赋值给n后，返回步骤5.3。

Claims (1)

1.一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1、在CAD建模软件中创建固体域和流体域的参数化几何模型，并导出固体域的参数化几何模型的stp格式文件和流体域的参数化几何模型的stl格式文件；所述固体域的参数化几何模型包括：缸盖、排气歧管、气阀室罩盖、增压器的涡轮壳和紧固螺栓；所述流体域的参数化几何模型为排气通道；

步骤2、在Hyperworks软件中导入所述固体域的参数化几何模型的stp格式文件，并使用Hypermesh网格划分模块工具建立固体域的网格模型，同时利用Mesh Check网格检查工具对所述固体域的网格模型进行检查，从而输出所述固体域的inp网格文件；将所述流体域的参数化几何模型的stl格式文件导入三维CFD流体力学分析软件中，并使用Fame HybridAssistant网格划分模块工具进行网格划分，从而建立流体域的网格模型；

步骤3、采用发动机热力学分析软件建立发动机整机热力学模型，执行所述发动机整机热力学的仿真，从而得到发动机热力学计算值；依据发动机外特性试验数据对所述发动机整机热力学模型重新进行标定，从而使得所述发动机热力学计算值与所述发动机外特性试验数据的相对误差控制在Δ％以内；将所述发动机整机热力学模型的排气道入口和排气歧管出口的计算结果导出dat格式文件作为一维热力学边界条件；所述一维热力学边界条件的进口边界为排气的质量流量和温度，出口边界为排气的静压和温度；

步骤4、定义对流换热和热辐射的热边界条件

步骤4.1、定义变量n，并初始化n＝1；

步骤4.2在所述三维CFD流体力学分析软件中建立流体域的瞬态分析模型，并用所述一维热力学边界条件对所述流体域中的排气道入口和排气歧管出口施加边界，同时为流体域外表面指定一个估算的平均温度值，从而执行第n次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n次迭代的瞬态CFD计算得到的流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度并作为第n次迭代的CFD数据；

步骤4.3在ANSYS软件中导入所述固体域的inp网格文件，并将所述第n次迭代的CFD数据映射至所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格，从而得到所述固体域的排气侧对流换热的热边界条件；定义所述固体域的inp网格文件中的排气歧管外壁面的FEA面网格和气阀室罩盖外壁面的FEA面网格的热边界条件为空气的自然对流换热系数和试验环境温度；

步骤4.4在所述ANSYS软件中的热辐射模块中采用Radiosity热辐射求解方法对所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换进行计算：

a)在所述固体域的inp网格文件中指定两组Named Selections面选择，并指定每组所述Named Selections面选择具有相同的Emissivity辐射率，从而使得两组所述NamedSelections面选择的面与面之间存在相互热辐射作用；

b)在所述ANSYS软件中插入命令流对象，并将所述Radiosity热辐射求解方法用APDL参数化设计语言命令流进行编译，从而计算得到所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换；

步骤5执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算

步骤5.1、在所述ANSYS软件中Engineering Data工程数据模块的Material材料库中分别定义缸盖、排气歧管和增压器的涡轮壳的材料属性、气阀室罩盖的材料属性以及紧固螺栓的材料属性；

步骤5.2、在所述ANSYS软件中针对所述固体域的inp网格文件建立考虑热辐射的稳态传热模型，并调用Steady-state thermal solver稳态传热求解器后，选择并激活Temperature温度和Radiation辐射的标签，从而执行第n次迭代的稳态传热计算，获得所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的温度场数据并作为第n次迭代的FEA数据；

步骤5.3将所述第n次迭代的FEA数据导入所述三维CFD流体力学分析软件中，并在所述流体域的瞬态分析模型中使用所述第n次迭代的FEA数据替换所述流体域外表面的估算的平均温度值后，执行第n+1次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n+1次迭代的瞬态CFD计算得到的所述流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度作为第n+1次迭代的CFD数据；

步骤5.4在所述ANSYS软件中导入所述第n+1次迭代的CFD数据，并替换所述固体域的排气侧的所述第n次迭代的CFD数据，从而针对所述考虑热辐射的稳态传热模型进行第n+1次迭代的稳态传热计算，从而得到所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的第n+1次迭代的温度场数据并作为第n+1次迭代的FEA数据，若所述第n+1次迭代的FEA数据与所述第n次迭代的FEA数据之间的最大温差小于Δ℃，则表示稳态传热的计算结果收敛，从而结束所述固体域与流体域的间接耦合迭代计算，否则，将所述第n+1次迭代的FEA数据替换所述第n次迭代的FEA数据，并将n+1赋值给n后，返回步骤5.3。