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CFD技术在发动机排气系统设计中的应用 |
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作者：杨林强 许涛 王东芳 |
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将CFD技术应用到排气系统的设计流程中,能够更细致地分析,研究气流的内部流动情况,为排气系统的优化设计提供了理论指导,不仅有利于减少样件的制作次数,还节约了开发成本,并且有利于缩短研发周期,是现代研发流程中的一种有效手段.
计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD），其基本原理是通过数值计算求解控制流体流动的微分方程，得出流场在连续域上的离散分布，从而近似模拟流体流动的实际情况。运用CFD技术，可以较快地进行技术可行性分析以及多方案的优选；在方案的设计阶段（如关键零部件及重要部位的外形优化设计和综合优化设计等），CFD技术更是优化设计的理想工具。
本文对某型发动机的排气系统进行CFD分析，得到排气系统内部流场的宏观流动特性以及大量的微观信息，为整个排气系统的优化设计和改进提供理论依据。
分析模型
1.几何模型
由于该排气系统为紧耦合式（即排气歧管直接与催化器相连接），因此在分析时必须将排气歧管与催化器作为一个整体进行研究（见图1）。
图1 排气系统分析模型
2.多孔介质模型
由于催化剂的本身几何结构（多孔的通道），因此可将其简化成多孔介质。流过载体的压力降通过Forchheimer friction模型计算。催化剂的相关流动参数由用户定义，压力降通过用户指定粘性损失系数和惯性损失系数来确定，而这两个系数是根据供应商提供的流过载体的气流流量和压力降的数据来确定的。
压力降方程的公式如下：
式中 ——沿多孔介质方向的压力梯度；
αi——粘性阻尼系数，单位为1/m2；
m——动力粘度，单位为Ns/m2；
ωi——局部速度分量，单位为m/s；
ξ——惯性阻尼系数，单位为1/m；
ρ——流体密度，单位为kg/m3。
基本设置及评价指标
本文通过CFD通用软件AVL-FIRE对排气系统进行分析。
1.参数设置
采用迎风离散格式，一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。设定流动介质为理想气体，三维流动为可压缩粘性湍流流动，湍流模型选择四方程的k—zata—方程，使用混合壁处理描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布，且要求贴近壁面的网格的y＋值在11～200之间。
2.设置边界条件
计算模式采取稳态计算，计算时分别考虑每个气缸排气。当一个缸排气管设定为排气时，其他缸的排气歧管设定为关闭状态。
考虑排气量最大的工况，因为这个时候气流速度最大，是载体最恶劣的工况。入口边界条件采用4个排气歧管流量峰值的平均值；出口采用静压边界，由出口压强时间平均得到。具体边界条件如下：入口边界：设为mass flow，550kg/h，温度855℃；出口边界：设为static pressure，0.1MPa。
3.评价指标
（1）速度均匀性系数γ主要是用来评价气流分布均匀的指标，公式如下：
式中 Ai——单元面积，单位为m2；
A——整个出口的面积，单位为m2；
ui——第i个单元的速度，单位为m/s；
u- ——平均速度，单位为m/s。
通常γ值为0～1，越大表示均匀性越好，一般我们要求γ＞0.85。
（2）最大平均流速（AFV） 是评价氧传感器位置的指标，其计算公式为：
式中 V1max、V2max、V3max和V4max——1～4缸排气时，氧传感器周围的最大速度，一般要求AFV≥100m/s。
（3）最大流速差异性系数（FSD） 是评价氧传感器位置的指标，其计算公式为：
式中 i ——从1缸到4缸。
一般要求AFV≥100m/s，同时FSD≤1时，才能评判氧传感器的位置满足要求，否则氧传感器的位置必须重新布置。
方案分析
1.初始设计方案
计算结果如表1所示。从计算结果来看，均匀性系数γ均大于0.85，满足评价指标。这表明进入催化器的气流分布较为均匀，有利于提高催化效率。但是从评价氧传感器布置的指标来看，尽管AFV大于100m/s，然而FSD也大于1，不满足FSD必须小于1的评价指标。FSD较大的原因主要是2、4排气时，氧传感器周围的最大速度较大，分别是280.1m/s和325.69m/s；而1、3缸排气时，氧传感器周围的最大速度则分别只有86.92m/s和106.58m/s。由于速度差异性较大，因此，FSD较大。
从氧传感器的位置来看（见图2），明显靠近2、4缸的歧管，而离1、3缸的歧管较远。这就导致了2、4缸排气时，经过氧传感器的气流较多，因此氧传感器表面的气流速度分布较大；而1、3缸排气时，由于氧传感器离得较远，因此经过氧传感器的气流较少，传感器表面的气流速度较小。
图2 排气系统初始设计方案
2.优化设计方案
针对前面的分析，为了保证经过氧传感器周围的气流速度分布均匀，将氧传感器向4根歧管的中心位置移动，以使传感器离4根歧管的距离差不多。调整后的设计方案如图3所示。
图3 排气系统优化设计方案
优化后的计算结果如表2所示，从计算结果来看，氧传感器调整后，由于歧管并没有进行设计变更，因此并不影响进入催化器的气流分布，所以计算得到的均匀性系数γ与初始方案相同。而评价氧传感器位置的AFV≥100m/s，同时FSD≤1，满足评价指标。
结语
本文通过对发动机排气系统进行CFD分析，找出了设计中存在的问题，并根据分析结果进行相应的优化，最后还对优化后的方案再次进行了CFD分析。结果显示，优化后的方案满足评价指标。
这种将CFD技术应用到排气系统的设计流程中的方法，能够更细致地分析、研究气流的内部流动情况，为排气系统的优化设计提供了理论指导。这样不仅有利于减少样件的制作次数，还节约了开发成本，并且有利于缩短研发周期，是现代研发流程中的一种有效手段。(end)
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(5/2/2013) |
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