某四缸柴油机排气歧管流场分析及结构优化

【摘 要】利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件对某四缸柴油机排气歧管内部流场进行分析，发现排气歧管进口、出口及主体转弯处均存在气体流速过高，弯管处存在较大涡流等现象。基于对内流场涡流及速度不均匀处的分析，对排气歧管进行结构优化，使流场速度分布更加均匀，模型改进后1号进口条件的出口质量流率从0.210kg/s提升到0.410kg/s，2号进口条件的出口质量流率从0.330kg/s提升到0.383kg/s，故可有效改善气体排出状况。

【关键词】柴油机；排气；流场；优化

【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

作為发动机排气系统主要部件之一，排气岐管对发动机的动力性能、排放以及噪声具有重大影响。为改善排气过程，降低排气阻力和噪声，控制污染物的排放，对发动机排气岐管进行研究具有重要意义[1]。柴油机排气歧管内流场均匀性直接影响排气畅通性，可导致出口质量流率过低、噪声污染较大等问题。另外，流场内的气体涡旋不仅造成气体流动受阻，也会造成能量耗散。优化排气岐管结构，使其内部流场更加均匀并削弱涡旋，可极大地改善排气岐管性能。

CFD是以流体动力学以及数值计算方法为基础，通过计算机数值计算和图像后处理方法，直观显示出流场信息，为气道的设计和改进提供重要的理论依据[2]同时也可减少实验盲目性，缩短开发周期。黄泽好等人[3]研究了各缸单管流速分布和三效催化剂前端截面的流速分布，依据分析结果对排气岐管进行了结构优化，实验发现改进后的排气岐管性能有明显改善；邹建等人[4]对排气管内部流场进行计算分析，设计了双脉冲排气岐管，有效提升了柴油机在低速工况运行的扭矩输出特性，同时排放也有所改善；蒋宇等人[5]较为细致地论述了当前在发动机排气岐管数值模拟及应用中所面临的主要问题，简述了排气岐管数值模拟应用的未来研究方向，并对其难点进行了剖析。

1 CFD模型建立

首先利用CAD SolidWdorks软件对某四缸柴油机排气歧管内部区域进行建模，其三维几何模型如图1所示，该排气歧管的四个进口为方管且关于出口管轴线对称，出口管为有一定的拔模斜度的圆管。在分析流场的基础上，对原排气歧管结构进行优化设计，优化后的排气歧管模型如图2所示，主要将图2中1处和2处的转弯角度增大到100°以上，将3处改为大角度圆弧过渡。

然后利用CFD软件ANSYS Fluent对模型进行网格划分，采用不规则全四面体网格[6]，边界层数为1，对转弯处进行网格加密，对20万、30万和40万数量的网格模型进行试算，最终选用计算精度足够且计算用时较少的网格方案，确定的方案划分网格数量为33万个，节点数量为11万。

2 Fluent计算原理及设置

ANSYS Fluent有限元的计算方式为标准的求解N-S方程组迭代求解方式：采用有限体积法将计算区域离散成许多小的体积单元，对离散后的体积单元给定初始值，通过联立求解每个体积单元上的N-S方程，不断顺序地逐个求解，直到计算达到收敛。

采用SIMPLE算法以解决压力项及速度项之间的耦合关系。湍流模型采用RNG k-ε模型，湍流动能方程κ和扩散方程ε为：

3 CFD计算结果分析

分别将原排气歧管和优化后歧管的两个不同进口条件下的流场进行对比分析，验证优化后结构的合理性。对CFD模型的流场分析主要以速度分布为主，平均速度越大，流场内单位时间内流出气体越多；速度的分布跨度越小则代表速度分布越均匀，气体流动越平稳，噪音越少。

3.1 1号进口条件下计算结果分析

原排气岐管1号进口条件下的速度分布如图3所示，从图中可以看出，从1号进口排气时，管内流速存在几次大小上的较大改变，主要集中在气体流动的转角处，在流场内速度分布层次较多，不均匀，并且整个流场内的平均速度较低。另外在原排气管出口的弯管处存在一个较大涡旋。主要是因为两次转角的过渡弧度较小，气体在流道内不能平稳过渡。

优化后排气管1号条件下的速度分布图如图4所示，从图中可以看出优化后的模型管内流速十分均匀，没有较大或较多的的变化并且平均速度较高。由此可以看出，优化后模型的1、2两处增大过渡弧度更符合管内气体流动规律。而且原排气管存在的较大涡旋得到了消除，气体的流通更加顺畅，有效地减少了能量的耗散。

经过计算，原模型出口的气体质量流率为0.210kg/s，而优化后的模型出口气体质量流率为0.410kg/s，比原模型提高了95.24%，模型的流通能力大大增强。

3.2 2号进口条件下计算结果分析

原排气岐管2号进口条件下的速度分布图如图5所示，從图中可以看出，在排气岐管内流场的速度分布较破碎，局部存在着过高的速度，整体上速度分布不均匀，平均速度较低。

优化后的排气岐管2号进口条件下的速度分布图如图6所示，从图中可以看出相对于原排气岐管，优化后排气岐管内流场未出现较高速度，整体流速较为均匀，原本在1处存在的涡旋也消失了。这说明在2处用圆管过渡更符合管内气体流动规律，能有效减少能量耗散。

经计算，原模型出口处气体质量流率为0.330kg/s而改进后出口质量流率为0.383kg/s，提高了16.06%，有效提高气体流通能力。

4 结果

通过建立排气岐管的计算动力学模型，对原排气岐管和优化后的排气岐管模型进行了内流场的对比分析，得出了如下的结论：

1）各缸排气管道内气流均匀性显著提高，管道内气体流通阻力下降，各缸的质量流率有所增加，优化后模型在1号进口条件下出口质量流率由原来的0.210kg/s增大到0.410kg/s，在2号条件下出口流率由原来的0.330kg/s增大到0.383kg/s，比原模型同条件下分别提升了95.24%和16.06%；

2）原先出口和弯管处存在的涡旋在优化后消失，由涡旋带来的能量损失有所减少，气流噪声有所减轻；

3）原模型体积为498728mm3，优化后模型体积为454599mm3，在改善气体流通性能的基础上，优化后的排气歧管结构可以节省材料的使用。

【参考文献】

[1]吕晨，俞水良，符惠龙.排气系统冷端数值计算与优化[J].机械工程与自动化，2017，02：51-53.

[2]康彦红，徐春龙，蔡忠周，等.柴油机排气道数值模拟和优化设计[J].内燃机，2010，04：10-12.

[3]黄泽好，张浩亮，孙章栋，等.某发动机排气歧管流场分析与结构优化[J].西南大学学报（自然科学版），2011，01：153-157.

[4]邹健，吴建财，严金龙.四缸柴油机排气歧管的设计及内流场分析[J].内燃机与动力装置，2015，05：42-45+78.

[5]蒋宇，丁渭平，杨明亮，等.发动机排气歧管数值模拟应用研究述评[J].煤矿机械，2016，02：56-59.

[6]王素梅，董沛存.柴油机排气歧管的CFD数值模拟分析[J].沈阳理工大学学报，2012，04：90-94.

[7]龚金科，官庆武.4缸柴油机排气歧管分析与设计的研究[J].汽车工程，2013，04：354-357.

[8]周龙保.内燃机学（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2010.

[9]朱义伦，顾闳中，邓康耀等.柴油机采用扩张排气支管的流动特性试验研究[J].柴油机，2001，（4）：17-20.

[10]范炳良，陈庆樟，石常青.1E39FM发动机进排气系统优化[J].小型内燃机与摩托车，2010，39（4）.

[责任编辑：田吉捷]

推荐访问:歧管 柴油机 排气 结构优化 分析