CN117418929B - 一种排气歧管及其出气管段的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种排气歧管及其出气管段的设计方法,该排气歧管包括分支管段、汇流管段及出气管段,出气管段通过汇流管段与多个分支管段连通,出气管段由第一管壁、第二管壁、第三管壁及第四管壁围成,第一管壁与第二管壁沿各分支管段的排列方向相对设置,第三管壁与第四管壁沿垂直于分支管段的排列方向相对设置,第一管壁相对于第二管壁倾斜设置,以使出气管段的横截面在第三管壁至第四管壁方向上逐渐变窄或者逐渐变宽。上述排气歧管对出气管段进行了重新设计,采用上下不等的结构,通过CFD仿真计算,相较于现有的排气歧管,上述排气歧管的出气管段对于二次流动情况可以进行有效的抑制,并且各缸的稳态压降也有所降低。
Description
技术领域
本发明涉及发动机排气系统技术领域,特别涉及一种排气歧管及其出气管段的设计方法。
背景技术
排气歧管是一种安装在发动机缸盖上,用来将发动机气缸排出的废气引导至增压器内部的管路。
如图1所示,排气歧管一般由分支管段、汇流管段以及出气管段依次连接构成,其中,分支管段设置多个,且其远汇流管段的一端用于连接气缸,各气缸中的排气经过各自对应连接的分支管段进入汇流管段,最终从出气管段排出,如图2所示,目前的传统设计中,排气歧管出气管段的截面属于上下对称结构,通过对排气歧管的CFD流体计算,分析排气歧管出口截面的压力分布,发现在出气管段存在较为明显的二次流动,二次流动与气流主流方向不同的异常流动会造成能量的损耗,包括压损大、排气能量利用率低等问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种排气歧管,以抑制其出气管段的二次流动情况,减少排气能量损耗,降低压力损失,提高排气能量利用率。
本发明的第二个目的在于提供一种包括上述排气歧管的出气管段的设计方法。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
一种排气歧管,所述排气歧管包括分支管段、汇流管段以及出气管段,所述出气管段通过所述汇流管段与多个所述分支管段连通,所述出气管段由第一管壁、第二管壁、第三管壁以及第四管壁围成,所述第一管壁与所述第二管壁沿各所述分支管段的排列方向相对设置,所述第三管壁与所述第四管壁沿垂直于所述分支管段的排列方向相对设置,所述第一管壁相对于所述第二管壁倾斜设置,以使所述出气管段的横截面在所述第三管壁至所述第四管壁方向上逐渐变窄或者逐渐变宽。
可选地,所述第三管壁为圆滑曲面状结构,所述第三管壁向远离所述第四管壁的方向拱起,所述第三管壁的两端分别与所述第一管壁以及所述第二管壁平滑过渡连接。
可选地,所述第三管壁为圆弧曲面状结构,或者所述第三管壁由多段圆弧曲面状结构圆滑连接构成。
可选地,所述第四管壁为圆滑曲面状结构,所述第四管壁向远离所述第三管壁的方向拱起,所述第四管壁的两端分别与所述第一管壁以及所述第二管壁平滑过渡连接。
可选地,所述第四管壁为圆弧曲面状结构,或者所述第四管壁由多段圆弧曲面状结构圆滑连接构成。
可选地,所述第一管壁以及所述第二管壁为平面状结构。
可选地,所述出气管段与所述汇流管段连接的一端的横截面面积小于所述出气管段远离所述汇流管段的一端的横截面面积。
可选地,所述出气管段的横截面从与所述汇流管段连接的一端开始向远离所述汇流管段的方向渐扩。
一种用于如上任意一项所述的排气歧管的出气管段的设计方法,包括步骤:
获取排气歧管的出气管段与汇流管段连接的一端的横截面m处的气体压力参数Pm、气体温度参数Tm以及横截面面积Sm;
根据上述气体压力参数Pm、气体温度参数Tm以及横截面面积Sm计算出气管段与汇流管段连接的一端的横截面处的气体密度ρ,计算公式如下:
其中,Rg为气体常数;
根据计算获得的气体密度ρ,计算气体流动速度v,计算公式如下:
其中,γ为气体绝热指数;
根据计算获得的气体流动速度v,计算气体参数E,计算公式如下:
其中,D为横截面m处的等效直径,为气体运动粘度;
根据计算获得的气体参数E计算出气管段的横截面m的小端等效宽度X1和大端等效宽度X2,计算公式如下:
;
根据横截面面积Sm计算出气管段远离汇流管段的一端的横截面n的横截面面积Sn,计算公式如下:
其中,系数L为根据性能要求设定的大于1的数;
根据排气歧管的布置参数确定出气管段的长度B,并根据获取的横截面面积Sm、横截面面积Sn,小端等效宽度X1和大端等效宽度X2,生成排气歧管的出气管段的三维模型;
将该三维模型导入CFD流体计算软件中进行仿真计算,判断该出气管段是否满足性能要求,若不满足性能要求,则调整系数L,重新生成三维模型并导入CFD流体计算软件中进行仿真计算,直到出气管段满足性能要求,若满足性能要求,则设计完成。
可选地,所述系数L的取值范围为1.1~1.4。
可选地,所述气体绝热指数γ的值为1.3。
可选地,所述气体运动粘度通过气体运动粘度曲线获取。
由以上技术方案可以看出,本发明中公开了一种排气歧管,该排气歧管包括分支管段、汇流管段以及出气管段,出气管段通过汇流管段与多个分支管段连通,出气管段由第一管壁、第二管壁、第三管壁以及第四管壁围成,第一管壁与第二管壁沿各分支管段的排列方向相对设置,第三管壁与第四管壁沿垂直于分支管段的排列方向相对设置,第一管壁相对于第二管壁倾斜设置,以使出气管段的横截面在第三管壁至第四管壁方向上逐渐变窄或者逐渐变宽。
上述排气歧管对出气管段进行了重新设计,将其由现有的排气歧管的出气管段的截面上下等宽的结构,更改为上下不等的结构,通过CFD仿真计算,相较于现有的排气歧管,上述排气歧管的出气管段对于二次流动情况可以进行有效的抑制,从而减少排气能量损耗,降低压力损失,提高排气能量利用率,并且各缸的稳态压降也有所降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中排气歧管的结构示意图;
图2为现有技术中排气歧管的出气管段的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的排气歧管的局部结构示意图;
图4为本发明实施例提供的排气歧管的出气管段的主视图;
图5为本发明实施例提供的排气歧管的出气管段的设计方法的流程图;
图6为采用本发明实施例的排气歧管与采用传统方案的排气歧管的稳态压降条形图。
图中:
1为分支管段;2为汇流管段;3为出气管段;301为第一管壁;302为第二管壁;303为第三管壁;304为第四管壁。
具体实施方式
本发明的核心之一是提供一种排气歧管,该排气歧管的结构设计使其能够抑制其出气管段的二次流动情况,减少排气能量损耗,降低压力损失,提高排气能量利用率。
本发明的另一核心在于提供一种用于上述排气歧管的出气管段的设计方法。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
首先介绍下排气歧管中出现的二次流动,从气体沿着排气歧管流动的方向来看,由于沿着排气歧管的管壁的气体受到管壁及气体之间摩擦力的影响,靠近管壁的气体的流动速度较小,其压力就大,这样逆向压差大,容易出现回流现象。从三维角度看,流动就容易出现涡流、分离流等,其流动方向与主流不同,这种流动称为二次流动。这样的流动异常会造成能量的损耗,包括压损大、排气能量利用率低等。
为抑制二次流动的形成,本发明实施例中公开了一种排气歧管,请参阅图3和图4,图3为本发明实施例提供的排气歧管的局部结构示意图,图4为本发明实施例提供的排气歧管的出气管段的主视图。
该排气歧管包括分支管段1、汇流管段2以及出气管段3。
其中,出气管段3通过汇流管段2与多个分支管段1连通,出气管段3由第一管壁301、第二管壁302、第三管壁303以及第四管壁304围成,第一管壁301与第二管壁302沿各分支管段1的排列方向相对设置,第三管壁303与第四管壁304沿垂直于分支管段1的排列方向相对设置,第一管壁301相对于第二管壁302倾斜设置,以使出气管段3的横截面在第三管壁303至第四管壁304方向上逐渐变窄或者逐渐变宽。
可以看出,与现有技术相比,本发明实施例提供的排气歧管对出气管段3进行了重新设计,将其由现有的排气歧管的出气管段3的截面上下等宽的结构,更改为上下不等的结构,通过CFD仿真计算,相较于现有的排气歧管,上述排气歧管的出气管段3对于二次流动情况可以进行有效的抑制,从而减少排气能量损耗,降低压力损失,提高排气能量利用率,并且各缸的稳态压降也有所降低,如图6所示。
上述第三管壁303以及第四管壁304整体为圆滑曲面状结构,或者由圆滑曲面状结构与平面状结构圆滑连接构成,其中,圆滑曲面状结构可以为单一曲率的圆滑曲面,也可以由多段不同曲率的圆滑曲面连接构成,如图4所示,在本发明实施例中,第三管壁303整体为圆滑曲面状结构,且第三管壁303向远离第四管壁304的方向拱起,第三管壁303的两端分别与第一管壁301以及第二管壁302平滑过渡连接。第四管壁304整体为圆滑曲面状结构,第四管壁304向远离第三管壁303的方向拱起,第四管壁304的两端分别与第一管壁301以及第二管壁302平滑过渡连接。
具体地,如图4所示实施例中,在本发明实施例中,第三管壁303为圆弧曲面状结构,或者第三管壁303由多段圆弧曲面状结构圆滑连接构成。第四管壁304为圆弧曲面状结构,或者第四管壁304由多段圆弧曲面状结构圆滑连接构成。
如图4所示,在本发明实施例中,上述第一管壁301以及第二管壁302均为平面状结构,第一管壁301的两端分别与第三管壁303以及第四管壁304平滑过渡连接,第二管壁302的两端分别与第三管壁303以及第四管壁304平滑过渡连接。
进一步优化上述技术方案,在本发明实施例中,出气管段3与汇流管段2连接的一端的横截面面积小于出气管段3远离汇流管段2的一端的横截面面积,即出气管段3的横截面从与汇流管段2连接的一端开始向远离回流管段的方向渐扩,这种结构可以对排气气流速度进行降速,减小出气管段3的压降,减少排气能量损失。
本发明还提供了一种用于如上述实施例所述的排气歧管的出气管段3的设计方法,如图3至图5所示,该设计方法包括步骤:
S1:获取排气歧管的出气管段3与汇流管段2连接的一端的横截面m处的气体压力参数Pm、气体温度参数Tm以及横截面面积Sm。
该横截面面积Sm可以参考与出气管段3连接的汇流管段2的出口的大小进行设定,当然若有需要还可以获取横截面m处的其他参数,比如沿垂直于各分支管段1的排列方向,横截面m的高度H。
S2:根据上述气体压力参数Pm、气体温度参数Tm以及横截面面积Sm计算出气管段3与汇流管段2连接的一端的横截面m处的气体密度ρ,计算公式如下:
其中,Rg为气体常数。
S3:根据计算获得的气体密度ρ,计算气体流动速度v,计算公式如下:
其中,γ为气体绝热指数。
S4:根据计算获得的气体流动速度v,计算气体参数E,计算公式如下:
其中,D为横截面m处的等效直径,为气体运动粘度,横截面m处的等效直径参考与出气管段3连接的汇流管段2的出口横截面积相等的圆形直径获得。
S5:根据计算获得的气体参数E计算出气管段3的横截面m的小端等效宽度X1和大端等效宽度X2,横截面m的小端等效宽度X1指第三管壁303平行于分支管段1的排列方向的切线与第一管壁301的延长线以及第二管壁302的延长线相交所构成的线段的长度,横截面m的大端等效宽度X2指第四管壁304平行于分支管段1的排列方向的切线与第一管壁301的延长线以及第二管壁302的延长线相交所构成的线段的长度,如图4所示,横截面m的小端等效宽度X1和大端等效宽度X2计算公式如下:
其中,E由上述步骤S4计算获得。
S6:根据横截面面积Sm计算出气管段3远离汇流管段2的一端的横截面n的横截面面积Sn,计算公式如下:
其中,系数L为根据性能要求设定的大于1的数。
S7:根据排气歧管的布置参数确定出气管段3的长度B,并根据获取的横截面面积Sm、横截面面积Sn,小端等效宽度X1和大端等效宽度X2,生成排气歧管的出气管段3的三维模型。
S8:将该三维模型导入CFD流体计算软件中进行仿真计算,判断该出气管段3是否满足性能要求,若不满足性能要求,则调整系数L,重新生成三维模型并导入CFD流体计算软件中进行仿真计算,直到出气管段3满足性能要求,若满足性能要求,则设计完成。
在本发明实施例中,上述系数L的取值范围为1.1~1.4。
针对内燃机的排气系统的空气,在本发明实施例中,气体绝热指数γ的值为1.3。
上述气体运动粘度通过气体运动粘度曲线获取。
需要说明的是,本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (11)
1.一种排气歧管的出气管段的设计方法,所述排气歧管包括分支管段、汇流管段以及出气管段,所述出气管段通过所述汇流管段与多个所述分支管段连通,所述出气管段由第一管壁、第二管壁、第三管壁以及第四管壁围成,所述第一管壁与所述第二管壁沿各所述分支管段的排列方向相对设置,所述第三管壁与所述第四管壁沿垂直于所述分支管段的排列方向相对设置,所述第一管壁相对于所述第二管壁倾斜设置,以使所述出气管段的横截面在所述第三管壁至所述第四管壁方向上逐渐变窄或者逐渐变宽,其特征在于,所述设计方法包括步骤:
获取排气歧管的出气管段与汇流管段连接的一端的横截面m处的气体压力参数Pm、气体温度参数Tm以及横截面面积Sm;
根据上述气体压力参数Pm以及气体温度参数Tm计算出气管段与汇流管段连接的一端的横截面处的气体密度ρ,计算公式如下:
其中,Rg为气体常数;
根据计算获得的气体密度ρ,计算气体流动速度v,计算公式如下:
其中,γ为气体绝热指数;
根据计算获得的气体流动速度v,计算气体参数E,计算公式如下:
其中,D为横截面m处的等效直径,θ为气体运动粘度;
根据计算获得的气体参数E计算出气管段的横截面m的小端等效宽度X1和大端等效宽度X2,计算公式如下:
X2=EX1
根据横截面面积Sm计算出气管段远离汇流管段的一端的横截面n的横截面面积Sn,计算公式如下:
Sn=LSm
其中,系数L为根据性能要求设定的大于1的数;
根据排气歧管的布置参数确定出气管段的长度B,并根据获取的横截面面积Sm、横截面面积Sn,小端等效宽度X1和大端等效宽度X2,生成排气歧管的出气管段的三维模型;
将该三维模型导入CFD流体计算软件中进行仿真计算,判断该出气管段是否满足性能要求,若不满足性能要求,则调整系数L,重新生成三维模型并导入CFD流体计算软件中进行仿真计算,直到出气管段满足性能要求,若满足性能要求,则设计完成。
2.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于,所述系数L的取值范围为1.1~1.4。
3.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于,所述气体绝热指数γ的值为1.3。
4.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于,所述气体运动粘度θ通过气体运动粘度曲线获取。
5.根据权利要求1所述的设计方法,其特征在于,所述第三管壁为圆滑曲面状结构,所述第三管壁向远离所述第四管壁的方向拱起,所述第三管壁的两端分别与所述第一管壁以及所述第二管壁平滑过渡连接。
6.根据权利要求5所述的设计方法,其特征在于,所述第三管壁为圆弧曲面状结构,或者所述第三管壁由多段圆弧曲面状结构圆滑连接构成。
7.根据权利要求5或6所述的设计方法,其特征在于,所述第四管壁为圆滑曲面状结构,所述第四管壁向远离所述第三管壁的方向拱起,所述第四管壁的两端分别与所述第一管壁以及所述第二管壁平滑过渡连接。
8.根据权利要求7所述的设计方法,其特征在于,所述第四管壁为圆弧曲面状结构,或者所述第四管壁由多段圆弧曲面状结构圆滑连接构成。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的设计方法,其特征在于,所述第一管壁以及所述第二管壁为平面状结构。
10.根据权利要求1-6任意一项所述的设计方法,其特征在于,所述出气管段与所述汇流管段连接的一端的横截面面积小于所述出气管段远离所述汇流管段的一端的横截面面积。
11.根据权利要求10所述的设计方法,其特征在于,所述出气管段的横截面从与所述汇流管段连接的一端开始向远离所述汇流管段的方向渐扩。
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