摘 要

发动机排气歧管作为汽车排气系统的重要组成部分之一，在发动机工作时，排气歧管的工作环境十分恶劣，工作热负荷大、热应力高，极易出现热疲劳失效的现象。因此，对排气歧管进行温度场分析，是后续的热应力、热疲劳分析的重要基础。 本论文结合某车型的发动机排气歧管，利用ANSYS软件中的Geometry、Mesh、Fluent和Steady-State Thermal四个模块，对发动机排气歧管的内流场和温度场进行了分析。在论文中，先基于CFD（计算流体动力学）的方法对排气歧管的内流场进行分析，利用CFD模型在Fluent软件中的数值计算，得到排气歧管内壁面的压力、温度和换热系数。然后利用FEA（有限元分析）的方法，建立排气歧管有限元模型，结合内流场分析得到的数据，对排气歧管进行温度场分析。通过分析计算得出发动机排气歧管温度分布。从所得的温度场中可以看出，排气歧管整体温度分布比较均匀，最高温度为730.6℃。最大值在进口处，主要原因是发动机气缸内高温废气通过进口进入排气歧管，在排气歧管内部的流动中存在温度损耗。该分析结果符合实际情况，为后续的热应力、热疲劳分析实验奠定了基础。

关键词：排气歧管；内流场；温度场；

Abstract

As one of the important components of automobile exhaust system, engine exhaust manifold has a very bad working environment, high thermal load and high thermal stress, so it is easy to cause thermal fatigue failure. Therefore, the temperature field analysis of exhaust manifold is an important basis for subsequent thermal stress and fatigue analysis. In this paper, the internal flow field and temperature field of engine exhaust manifold are analyzed by using four modules of Geometry, Mesh, Fluent and Steady-State Thermal in ANSYS software. In this paper, the internal flow field of exhaust manifold is analyzed based on CFD (Computational Fluid Dynamics). The pressure, temperature and heat transfer coefficient of the inner wall of exhaust manifold are obtained by numerical calculation of CFD model in Fluent software. Then the FEA (finite element analysis) method is used to establish the finite element model of exhaust manifold, and the temperature field of exhaust manifold is analyzed with the data of internal flow field analysis. The temperature distribution of engine exhaust manifold is obtained by analysis and calculation. From the obtained temperature field, it can be seen that the overall temperature distribution of the exhaust manifold is relatively uniform, and the maximum temperature is 730.6 C. The maximum value is at the inlet. The main reason is that the high temperature exhaust gas in the engine cylinder enters the exhaust manifold through the inlet, and there is temperature loss in the flow of the exhaust manifold. The analysis results accord with the actual situation and lay a foundation for the subsequent thermal stress and fatigue analysis experiments.

Key Words：Exhaust manifold，Internal flow field，Temperature field

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 3

1.2.1 国外研究现状 4

1.2.2 国内研究现状 5

1.3课题研究目的和内容 6

1.3.1 研究目的 6

1.3.2 研究内容 7

第2章 发动机排气歧管的内流场分析 8

2.1流体湍流模型 8

2.1.1 RNG k-ε湍流模型 8

2.1.2 标准k-ε湍流模型 9

2.2 流体动力学基本守恒方程 9

2.2.1 动量守恒方程 10

2.2.2 质量守恒方程 10

2.2.3 能量守恒方程 11

2.3 分析软件介绍 11

2.4 发动机排气歧管内流场的计算和分析 12

2.4.1 发动机排气歧管内流场模型的前处理 12

2.4.2 内流体CFD网格模型 13

2.4.3 Fluent软件内流场分析 14

2.4.4 排气歧管内流场分析结果 15

第3章 排气歧管温度场分析 20

3.1 温度场 20

3.2 热量传递 20

3.3 排气歧管有限元模型的建立 22

3.4 排气歧管温度场分析 23

第4章 论文总结和展望 26

4.1 论文总结 26

4.2 展望 27

参考文献 28

致谢 30

绪论

随着我国社会的不断发展，我国的经济和人民生活水平不断提高。汽车产业作为推动经济发展的重要来源之一，我国的汽车工业发展迅猛，所以我国的汽车保有量飞速增长。在我国，汽车工业水平在某些方面直接反映我国工业科学技术的综合水平。但和世界发达国家相比，我国汽车技术水平还是有一定的落后。为了缩小我国和汽车技术发达国家的差距，并解决环境污染等问题，我国各大汽车公司和研究院均将国内汽车的自主设计研发能力作为行业发展的重要指标。发动机排气歧管作为发动机排气系统的重要组成部分，一个性能良好的排气歧管可以影响排气系统的好坏，从而影响发动机的性能，影响发动机废气排放的好坏。从发动机排气歧管入手，对其进行分析和计算，从而进行优化和改善也是解决相关污染并提高汽车性能的重要方法之一。

1.1课题研究背景及意义

当今社会是科学技术不断进步，经济飞速发展的改革开放新时代，随着人民生活水平的不断提高，人们对交通工具的需求量提高，因此日常的交通工具的种类和数量也是不断地在增加。汽车工业作为工业时代的重要组成元素之一，在社会不断发展和进步的同时，汽车行业也是发展迅猛。近年来，随着我国汽车工业的发展，国内汽车行业对汽车的自主研发的重视度越来越高，市场上的自主汽车公司和品牌也是日渐增多，汽车工业在全国的经济占比也是逐渐增加。但由于我国汽车起步较晚，与经济发达国家相比，我国的汽车技术还是有不小的差距^［1］。在技术的缺陷下，汽车的数量不断增加，我国汽车尾气排放量在悄然无息中上涨，因此汽车排放对我们日常的环境污染的程度也在上涨。为了解决这些问题，我国各大研究所和汽车公司都在不断的研究，我国政府也对汽车的技术研发加大了扶持力度。汽车数量和种类日益增加，对我们造成最大的问题就是噪声污染，空气污染和道路堵塞。噪声在我们日常生活中时普遍存在的，过量的噪声会使人心情烦躁，影响人们日常的生活和工作，甚至使人生理失常和精神失常。道路堵塞在生活中也是层出不穷，我国的一线城市甚至二线城市都存在严重的交通堵塞问题。但是这两个问题在人们的多种考究下，已经找到了有效的解决办法。在噪声方面，制定了相关法律法规限制汽车鸣笛，设置隔音带等多种办法。在交通堵塞方面，有发展公共交通工具，建立高架桥进行分流和车辆限号等众多解决办法。但是在空气污染方面，至今为止仍然是我汽车行业的一道难题。在当今社会，虽然已经在发展新能源汽车，比如电动汽车、燃料电池汽车，但由于技术瓶颈的存在，汽车在今后的一段时间应该还是以油车或者混动车为主，因此汽车的尾气排放问题所造成的环境污染依然存在。在汽车行驶过程中，燃料通过发动机相关部件进入发动机进行燃烧，然后通过排气歧管进行排放，在废气的排放过程中，由于燃料的不完全燃烧，大量的有害气体通过排气歧管排出到空气中，主要包括碳氧化合物、 碳氢化合物、颗粒物、硫化物、氮氧化合物、铅化物、黑烟和油雾，这些有害气体对人直接或间接的造成不好的影响。当行人在马路上行走时，如果长时间直接吸入排放出的有害尾气，会对人身体健康造成极其严重的危害。就算是行人未直接吸入，但排放出废气经过空气或者水污染同样会间接对人造成影响。在这些有害气体中，碳氧化合物中，由燃料不完全燃烧形成的一氧化碳最为危险。一氧化碳是一种无色无味且难溶于水的还原性气体，在被人体呼吸进体内后在血液中特别容易与血红蛋白进行结合，形成碳氧血红蛋白，让人体血液中的血红蛋白失去运输氧的作用，使得吸入者窒息休克甚至死亡。而碳氧化合物中的二氧化碳，是发动机尾气排放的主要气体之一，近年来过量的二氧化碳的排放已经对全球的气温造成极大的影响，最严重的就是全球变暖。在发动机燃烧室中，空气中的氮和氧在高温的环境下形成的氮氧化合物在排放到空中后，如果被直接吸入体内会对人的呼吸道造成极大的危害，而在空气中形成的二氧化氮具有极强的毒性，和排放尾气中的硫化物一样都是酸雨污染的恶源。尾气排放中的颗粒物主要是燃料燃烧所形成的一次颗粒物以及其转化生成的二次颗粒物，也是造成雾霾的罪魁祸首，近年来世界卫生组织已经将其划归为致癌物清单之中，吸入人体后会对人体健康造成极大的损伤。尽管近年来，我国已经提高了汽车发动机尾气排放标准，但是汽车排放污染形势依然不容小觑。排气系统作为汽车发动机的组成部分之一，每一辆汽车都必须安装排气系统以用来减小减低汽车的噪声，并且对发动机中的有害尾气进行有益处理。排气系统性能的好坏不仅仅在一定程度上决定了发动机工作性能的优劣，还对我们日以生存的环境产生直接和间接的作用。因此，对排气系统进行研究分析，设计出性能卓越的排气系统，对其进行完善和改进也是提高汽车性能和解决环境污染的途径之一。

排气系统是对发动机燃油燃烧所产生的废气进行收集和排放的系统，目前的排气系统大部分由排气歧管、排气温度传感器、催化转换器、排气管、汽车消音器和排气尾骨等部分组成。近年来，由于汽车结构的优化，汽车公司为提高自己品牌的市场竞争力，对缩小汽车发动机体积占比量和汽车轻量化要求不断提高，汽车排气歧管与催化转换器设计为一体，将其设计为机构紧凑的排气歧管总成。因此，由于以上种种原因，发动机排气歧管在汽车排气系统中的作用也是不断提升。排气歧管连接在发动机气缸和排气总管之间，汽车燃油在气缸内经点火燃烧产生的高温高压废气直接流通排气歧管进入排气系统。在发动机性能不断提高的今天，发动机排气歧管的工作环境的恶劣程度也日渐提高。在排气歧管工作时，其内部是一个物理场和化学场交错的复杂场，不仅有高温高压气的的物理冲击，还存在着废气自身以及废气与排气歧管材料的化学反应，这也使得发动机排气歧管的热应力和热负荷不断增加。如果汽车废气对排气歧管的热冲击过大，使得排气歧管材料的热应力超过自身的屈服极限，材料就会产生变形，大大的降低排气歧管的寿命，严重时甚至产生管体破裂形成爆炸，这对驾驶人以及行人都是极其严重的安全问题。因此，对发动机排气歧管进行研究，选择合适的材料，对排气歧管的结构进行最为合理的设计并优化也是当前汽车行业的重要课题之一。在研究的过程中应该针对不同的车型，不同的工作环境，不同的燃料做细致的分析，在结构和性能之间做到平衡。对发动机排气歧管进行热分析，探求其热力学失效形式，从结果反推开始，更好的设计和优化排气歧管。在传统的研究方法中，对排气歧管的分析研究是一个繁杂的过程，对每一个工作状态，每一个工作环境的研究都有极大的限制，不仅要投入大量的时间和经费，得到的结果还存在巨大的误差。目前，国内外的研究学者在对排气歧管进行热力学分析时基本都是通过计算机技术来实现的，通过计算机相关软件，针对不同车型，不同需求的排气歧管模型，利用有限元软件对其进行数值模拟仿真分析。正是得益于计算机技术的不断进步，才使得汽车研究在某些方面飞速提高。也正是汽车行业对计算机技术的需求增加，才会使得相关技术人员开发相关软件，二者正是相辅相成，密不可分的搭档关系。大部分排气歧管热学分析是运用了计算机来进行排气歧管的研究，通过流固耦合的方法对发动机排气歧管进行有限元分析。对排气歧管内流场进行压力、温度和换热系数分布分析，了解排气歧管内部的物理场参数，对其中的异常值进行评测，从而对排气歧管的结构形状做出符合实际情况的改善优化意见^［2］。利用内流场的基本数据对排气歧管进行温度场分析，观测模型在具体工作环境中的温度场，通过温度场中的实际温度对排气歧管的物理状态进行细致观测，对温度异常出进行研究并提出改善措施。以温度场分析为先决条件，对排气歧管进行热效应和热应力等研究分析，以分析结果对发动机排气歧管进行更进一步的材料选择和结构优化。通过这种计算机数值模拟分析的方法，可以快速的设计出企业需求的排气歧管，并且提高其结果的精确度，为排气歧管的优化和改善提供巨大帮助。

1.2国内外研究现状

随着汽车行业的不断发展和科学技术的不断进步，汽车发动机的各种性能得到显著提升，但是汽车发动机在功率提升的同时工作温度也在不断上升。发动机排气歧管作为发动机的组成部分之一，发动机排气歧管的温度直接反映了汽车发动机的温度。因此对发动机排气歧管的热分析也是汽车行业技术人员的重点工作内容，国内外的许多学者和专业人员也对发动机排气歧管做了许多的专业性研究。

1.2.1 国外研究现状

国外的汽车行业相比于我国而言，起步更早，相应的汽车技术也更加先进。国外的学者和研究机构对发动机排气歧管所做的热学研究分析也是更加全面和完善，在对发动机排气歧管的优化和改进方面也是值得我们去借鉴。在对发动机排气歧管的分析和研究中，数值的模拟和计算时一个复杂的过程。在该过程中不仅要求研究者具有极高的耐心，还不能出现过多的人为误差。所以国外的研究者在对发动机排气歧管的热分析研究都是通过计算机进行辅助，以专业软件进行研究分析，这不仅大大减轻了工作量，也对研究结果的精确度有所保证。CAE（计算机辅助工程）是指对结构复杂的研究对象的力学特性和结构特性进行计算机模拟分析^［3］。第三次工业革命以来，计算机技术发展迅猛，软件技术与我们日常的生活和工作也变得密不可分。国外学者结合CAE和有限元分析对汽车排气歧管做了大量的研究。CFD（计算流体动力学）是计算机学中的流体计算的分支，运用该技术可以对流体进行快速的数值仿真分析^［4］。

印度钦奈萨提亚巴马大学的Dillip Kumar Sahoo，Raja Thiya^［5］基于商用有限元程序ABAQUS，将热边界条件映射到排气歧管的结构单元表面。通过热分析，找出高应力区。对高应力区进行了设计修改，重复该过程，降低应力以达到目标。对排气歧管模型进行简化处理，使得简化的有限元模型可以很好地利用适当的边界条件模拟排气歧管的热结构分析。

美国的学者Sinan Eroglu和Ipek Duman等人^［6］对发动机排气歧管进行了耐久性分析。对发动机排气歧管温度异常点进行了修正。在热机构分析中较好地预测了热疲劳试验过程中裂纹的模拟，从中得出非弹性应变决定了试验过程中裂纹产生的位置，热机械疲劳失效的预测是由塑性应变和蠕变应变的结果驱动的结论。

英国的学者Z. Liu，S. F. Benjamin等人^［7］通过多重仿真的方法，结合了发动机一维仿真数据和排气歧管的三维耦合式仿真数据，改变相关的传统的边界条件设置的方式，以发动机的一维仿真数据作为发动机排气歧管三维仿真分析的边界条件，以此方法对发动机排气歧管流场分析结果符合实际情况，且具有相当高的精确度，为排气歧管流场分析提供了新的思路。

有限元分析软件CRADLE公司的Qin Yin Fan，Masayuki Kuba 等人^［8］。在进行温度场分析研究时发现运用固体网格插值映射方法进行温度场分比其他传统的方式具有更高的效率，并用此方法对一款发动机排气歧管进行了热学分析研究，对往后的温度场计算有一定的有利之处。

Burkhalter.G，Sloss C, 等人^［9］通过CAE方法对发动机排气歧管内流场进行分析研究，针对不同粗糙程度内壁的排气歧管进行压力数值计算，观测管内的压力分布云图，统计各内流场压力损失情况，发现排气歧管内壁的粗糙程度对流场压力损失具有一定的影响。

K. Höschler，J. Bischof等人^［10］对发动机排气歧管进行热分析，利用在循环稳定材料条件和峰值温度和相应应变范围的瞬态峰值应力，借助适当的疲劳数据分析部件的寿命。

1.2.2 国内研究现状

由于我国汽车行业起步相对于国外较晚，所以我国在这一方面的研究也相对薄弱一点。但是近年来，在国家和汽车行业的专业人士的不断努力下，我国在该方面也取得了巨大的成果。但在大部分的排气歧管热学分析的研究中都采用流固耦合的方法对其进行有限元分析。其中：

2012年，武汉理工大学孙立旺等人^［11］自行建立了发动机排气歧管模型，利用STAR-CCM 软件的方法对发动机排气歧管进行了直接流固耦合数值模拟，对发动机排气歧管的温度场和热应力场进行了分析，实验结果表明由于高温高压废气的对内壁面的直接冲击，排气歧管的温度在支管交汇处达到最大值。

2005年，奇瑞汽车有限公司的研究员李庆红、杨万里、刘国庆等人^［12］采用流固耦合的方法对防冻剂排气歧管的温度场及热应力进了计算，实验结果表明通过ABAQUS等软件，以流固耦合的方法可以高效地对排气歧管温度场和热应力进行预测。发动机固定隔热罩的凸台，由于在Y轴方向的拉伸应力会对排气歧管的裂纹造成影响。

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