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某型排氣歧管溫度場仿真分析

1、分析目的

排氣歧管通常由鑄鐵或雙壁面焊接金屬制造而成。采用鑄造工藝的排氣歧管目前已廣泛應用于汽油機或柴油機。排氣歧管應當有足夠的剛度以滿足在發動機開發過程中所需的主要設計目標，比如動力性能，燃油經濟性和排放。為了實現催化劑快速和高效啟動反應，廢氣溫度應該進一步提升以確保催化劑更高的轉化效率，而排氣歧管也將承受更高的熱負荷。因此針對某排氣歧管應用simsolid軟件對其執行了溫度場仿真分析。

2、模型說明

選擇鐵素體球墨鑄鐵作為排氣歧管和增壓器渦殼材料，其材料屬性高度依賴于環境溫度。彈性模量和導熱系數隨溫度的變化見圖1和圖2。排氣歧管幾何模型如圖3所示。

                                圖1 材料變溫下的彈性模量                 圖2 材料變溫下的導熱系數

                                                                  圖3 排氣歧管幾何模型

3、溫度場分析

排氣歧管溫度場分布是進行結構分析最為重要的邊界條件。3D CFD計算結果傳遞局部換熱系數和近壁面氣體溫度，然后在一個工作循環周期內進行平均處理，即得到時間平均的換熱系數和近壁面氣體溫度。除了排氣歧管內壁面的對流換熱外，排氣歧管外壁面的對流換熱和熱輻射對傳熱分析也至關重要。時間平均的換熱系數和近壁面氣體溫度一般會隨發動機實際工況而產生變化。在Simsolid軟件中定義排氣歧管內外壁面的換熱系數和溫度，定義過程非常簡易，如圖4和圖5所示。

                                                          圖4 排氣歧管外表面邊界條件

                                                            圖5 排氣歧管內表面邊界條件

4、溫度場分布結果

排氣歧管裝配整體溫度場分布情況如圖6所示，從圖6中可以發現當轉速為3000rpm時排氣歧管最高溫度約為593℃，大致位于排氣歧管總出口位置，即渦輪機入口位置。根據相關設計標準，最高溫度低于材料發生微觀機構變形所允許的最高溫度（800℃），即排氣歧管不會發生微觀過度變形。排氣歧管溫度場將通過耦合接口傳遞到結構分析模塊并作為其熱邊界條件。

                                                           圖6 排氣歧管溫度場分布

 

                                                                   圖7 排氣歧管剖切圖

5、總結

（1）基于Simsolid軟件，對排氣歧管溫度分布計算的分析流程可對進行較為精確的預測，極大地簡化了分析過程，但針對復雜問題的分析仍有待進一步驗證。

（2）Simsolid軟件消除了傳統 FEA 中最耗時幾何結構簡化和網格劃分的過程，完全不同與傳統的FEA分析。