歧管的案例
simsolid—某型排氣歧管溫度場仿真分析
exh_manifold.zip
某型排氣歧管溫度場仿真分析.pdf
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。
展開 金屬3D打印如何優化流體歧管？
流體歧管是連接兩個或多個流體管道或通道的部件。雖然概念上很簡單，但此類部件在所屬系統中發揮著重要作用。您可以采用提高流體歧管性能的方式來提升整個系統的性能。由于存在局限性，傳統制造工藝經常無法對流體歧管進行優化。重量和體積過大、尖角、滯流區和多個易漏連接點等問題很常見。
金屬增材制造(AM)能夠以傳統制造無法實現的方法優化流體歧管。經增材制造優化后的部件采用整體設計，無需組裝操作，能夠生產有機的薄壁形狀，還減少了最終組件的重量和體積。這些優勢在半導體設備等應用中尤其有益，半導體設備的特點是在潔凈環境中封裝密實、快速運動的組件，其包含許多流體管道。增材制造組件旨在提供更好的性能，在一些應用中，測得的干擾力最高降低了90%。
由于對流體歧管傳統制造的現有設計均是針對這些工藝的局限性而打造，因此通常效率較低。出于此原因，我們建議從頭開始設計優化的增材制造歧管。不過，好消息是，通常只需要一到兩次設計迭代就可以得到可用于增材制造的歧管設計。
增材制造流體歧管的示例
增材制造流體歧管用于各個行業中所用的快速運動組件的流體連接。在這些以性能為主的環境中，增材制造優化所帶來的優勢是關鍵。增材制造可以減輕重量來獲得更好的慣性結果，消除尖角以更好地控制壓力下降和干擾，并通過最大程度減少連接點來降低泄漏風險。
推動流體歧管應用采用增材制造的關鍵因素
使用增材制造的好處通常是相互關聯的。無論項目的主要目標是什么，例如因空間有限而進行包裝，都可以通過巧妙的設計策略來實現所有這些好處，令產品的表現超越主要目標（例如，減輕重量和改善流動性）。
展開 【CAE案例】化石燃料發電廠歧管的疲勞蠕變損傷分析
01 案例背景
歧管是化石燃料發電站的重要部件之一，用于將蒸汽收集匯總。在日常的工廠運行周期里，歧管易受到機械疲勞的影響；同時受運行階段的溫度和應力條件影響，也會出現蠕變的現象。
圖1 SHT型歧管
為了評估歧管的相關設計參數，特別是厚度對其壽命的影響，法國電力公司開展DUCAT項目計劃進行相關模擬，從而幫助設計與日常維護。
02 研究方法
在此案例中，分別針對Champagne sur-Oise火電站使用的歧管與該型歧管壁厚減少20%的改進設計進行模擬。為了滿足計算精確度的要求，在建模與網格劃分中共生成14286 個節點（共42858 個自由度）和 17364 個二次單元（10930 個六面體和 6434 個四邊形面單元，用于邊界條件的設置）。邊界條件采用持續5min的-38℃/min溫度梯度的不利溫度瞬態。這是常見于火電站啟動期間次數較少但幅值較大的降溫循環。
圖2 歧管瞬態溫度變化
對于歧管在這個減溫循環中的行為計算，需要一個新的模型去描述歧管的機械疲勞與蠕變現象。對此在通用結構仿真軟件中調用VISC_CIN2_CHAB模型，這是一種Chaboche 類型的新粘彈塑性行為模型，包括兩個隨動強化和一個非線性各向同性強化。同時使用宏命令MACR_RECAL對所研究的歧管材料，牌號為10CD9-10鋼的行為規律進行了識別，并成功地與 MMC 部門通過 SIDOLO識別的結果進行了比較。
圖3 MACR_RECAL識別結果驗證
03 結果
在降溫循環過程中，冷沖擊結束時，如圖4所示，在接頭部分承受著較大的溫度梯度。同時，如圖5所示，該處的溫度梯度會引起較大的應力分布，接頭部分會顯示出疲勞問題，因此，疲勞現象僅局限于具有很大溫度梯度的部分。
展開 關于汽車歧管熱應力疲勞分析
歧管是汽車引擎用于進氣或排氣的管道，它的功用是將空氣、燃油混合氣由化油器或節氣門體分配到各缸進氣道，一般對歧管的要求包括耐高溫、高強度、化學穩定性、熱老化穩定性等，通常汽車發動機處于很苛刻的環境溫度下工作，工作溫度在30~ 130℃往復變化，由此可見歧管對熱載荷的要求很高，因此對于歧管的設計必須考慮熱疲勞分析。下面我們就仔細研究一個fe-safe分析歧管熱應力疲勞的一個案例。
我們分析的模型是一個四缸發動機的排氣歧管，歧管的幾何構型和網格模型如下所示。首先要對模型進行熱應力強度分析，采用abaqus軟件完成，最后生成odb文件，然后基于odb結果文件進行fe-safe疲勞分析。
圖1 岐管網絡模型
導入fe-safe后，讀入需要的應力結果，只需要讀入每一個分析步最終的溫度和應力結果，如下圖所示。設置單位為mm單位制。
圖2 結果讀取
Fe-safe的分析過程如下：
step1：定義載荷
載荷包括單一疲勞載荷序列，兩類數據載荷的循環（熱載荷和機械載荷），還有第三個載荷序列（機械載荷和環境溫度載荷）
step2：定義表面光潔度
假設所有零件具有鏡面光潔度，Kt=1。
展開 
【AICFD案例操作】多孔介質歧管流動傳熱
圖5-3 結果更新
4）可視化結果
① 壓力云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數，設置等級參數256，點擊應用，讀取歧管壓力云圖，可以看到歧管的入口壓力最大 經過多孔介質區域后壓力減小，并在出口處降至最低。
圖5-4 壓力云圖
② 溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數，設置等級參數256，點擊應用，讀取歧管表面溫度云圖，可以看出歧管入口處 溫度較高，在多孔介質域內溫度逐漸降低，隨后流體流出多孔介質域后溫度逐漸增加。
圖5-5 表面溫度云圖
單擊菜單欄 后處理> 矢量圖，設置歧管速度矢量圖，可以看出在多孔介質域內速度較低，在歧管內徑較小處速度最高。
圖5-6 流線圖
展開 【AICFD案例教程】進氣歧管分析
圖5-2 結果更新
3）可視化結果
① 壓力云圖
單擊菜單欄 后處理> 云圖，選取位置域和變量參數壓力，設置等級參數256，點擊應用，讀取進氣歧管表面壓力云圖。可以看出在該工況下，壓力最大值出現在出口3和出口4附近。
圖5-3 壓力云圖
② 速度流線圖
雙擊樹節點 視口> 結果> AICFDProject，設置進氣歧管透明度，以便后續查看內部流線。
圖5-4 設置歧管透明度
單擊菜單欄 后處理> 流線圖，設置進氣歧管速度流線圖，可以看出在該工況下，接近出口2處速度偏高。
圖5-5 流線圖
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展開 Fidelity計算流體力學平臺上進氣歧管的操縱空間
例如，發動機進氣歧管由多個閥門組成，每個閥門都有不同的工作條件。工程師必須了解在各種操作條件下會發生什么，才能做出明智的設計選擇。當必須對原始 CAD 模型進行打開或關閉閥門等微小更改時，這可能會非常耗時。然而，借助 Fidelity CFD 平臺，可以創建多個設計選項，以在用戶定義的域中實現所需的設計目標。多種設計可以在網格劃分和求解模型時提供靈活性。無論您需要調整零件的位置還是完全刪除它，設計選項都可以簡化流程，只需單擊幾下即可簡單。
發動機進氣歧管，閥門旋轉 (i) 45 度（左），(ii) 90 度（右）。
首先，您必須創建不同的閥門位置來探索進氣歧管的操作空間。您可以通過復制職位文件夾中的現有職位并相應地重命名它們來完成此操作。要創建“半開”位置，請將閥門旋轉 45 度；對于“全開”位置，將閥門旋轉 90 度。創建閥門位置后，從新域開始并選擇要添加到其中的組件。您可以為每個域指定多個設計選項。
當剛開始涉足該領域時，只有一種設計選擇可用。然而，測試多種設計選項有利于實現預期結果。這就是為什么該平臺提供了重復設計選擇的選項。此外，用戶可以更改設計選擇，從而靈活地包含或排除最初添加到域中的幾何圖形的某些部分。例如，您可以創建一個名為“無閥門”的新設計選擇，其中閥門完全從幾何域中刪除。這允許更好地定制和控制設計過程。
當探索不同的設計選擇或操作條件時，通常沒有必要從頭開始進行網格設置，因為幾何形狀保持相對一致。重復使用以前的網格設置是一種明智的方法。下圖顯示了針對兩種不同的設計選擇或具有相同網格設置的閥門操作條件生成的網格。
為半開閥門（左）和全開閥門（右）生成的網格。
在模擬各種設計選項時，復制網格設置和模擬設置很有幫助。這使得研究設計模型的不同操作條件變得容易，而無需太多額外的努力。
展開 CFdesign對進氣歧管進行流量優化
用CFdesign對進氣歧管進行流量優化.part1.rar
用CFdesign對進氣歧管進行流量優化.part2.rar
用CFdesign對進氣歧管進行流量優化.part3.rar
實例篇：進氣歧管冷熱交換時的墊片分析 ￥2
今天這個例子帶來的是冷熱交換時的墊片密封性能分析，用到的實例是一個簡化的進氣歧管以及端蓋，如下圖
整個分析的過程中要考慮螺栓的預加載、卸載，整體模型進氣、出氣的溫度變化，以及墊片非線性在受壓、釋放過程中的變化，比較復雜，相關工況說明如下
分析步
1
2
3
4
5
6
溫度（℃）
20
20
150
-40
20
20
螺栓狀態
預緊
維持
維持
維持
維持
卸載
氣壓（MPa）
/
/
0.678
0.678
/
/
用到的材料gasket的壓力-閉合曲線如下圖
整個動態展示是這樣的
為了更好的完成這個分析，我們先進行一個二維gasket的簡單壓縮分析
1 中間夾層gasket分析
1.1 建模說明
1.1
之后賦予簡單的steel材料屬性——截面屬性
對于gasket的夾板，材料定義如下
1-2
選取截面屬性的時候，other——gasket，其余默認
1-3
1.2 加載分析
對于分析步，采用非線性分析步，初始步長取0.01，共兩個分析步
step-1中對steel上板施加強制位移1，step-2中恢復
1.3結果分析
最后得到的結果如下
2 進氣歧管分析
2.1 導入模型，劃分網格
在這里，劃分網格的方法有很多，也可以到專業的畫網格軟件（如hypermesh）中進行前處理之后導入
2.2賦予相關屬性
這里的材料與之前的類似，可以借用
2.3 建立分析步
合計6個分析步，每個初始步長取
展開 Moldex3D模流分析之支持歧管和模溫機的建立和模擬
功能
? 預測塑件、模具嵌件、冷卻水路、加熱棒…等各種組件構成的溫度分布，評估冷卻與加熱系統的控溫設計
? 檢視模溫瞬時變化響應，特別適用急冷急熱、感應加熱…等等多種冷熱切換的變模溫制程
? 提供簡易冷卻分析模塊，快速驗證模具冷卻系統設計
? 進 階熱澆道分析 模塊 可確認熱澆道設計效果，模擬熱澆道內部復雜構造(包含加熱棒控制)
? 快速建立各種水路幾何(包含模外歧管)，并可根據產品自動構建異形水路
? 混合流場與溫度場進行3D 實體水路分析 ，解析異型水路冷卻效果
? 支持輸入現場模溫機規格，取得更貼近真實的水管壓力及流量信息
? 支持模具預熱分析，評估模溫初始狀態，幫助減少無效生產模次
? 支持模擬塑件頂出過程，評估頂出時間對于小型產品的翹曲影響
特色
塑件冷卻分析
? 計算塑件、流道、嵌件的3D溫度分布
? 計算固化區域
? 計算熱傳率及熱散量
? 預估所需冷卻時間
模座冷卻分析
? 計算模座、模座嵌件、冷卻水路的實體溫度分布
? 計算冷卻水路效應
? 計算塑件嵌件之效用(Moldex3D MCM 為必備模塊)
? 計算多材質的嵌件，如：鈹銅
? 計算加熱棒效應
冷卻水路分析
? 計算冷卻水路的冷卻液溫度分布
? 計算冷卻水路的壓降
? 分析冷卻水路的雷諾數
? 支持傳統/異形水路和 3D流體動力學模擬
? 支持歧管和模溫機的建立和模擬
展開 歧管流動模擬案例 ￥1
歧管流動模擬 case data mesh
發動機竟然有52種--史上最全發動機技術大全！（下）
51.VIM ： （可變進排氣歧管技術發動機）
蘭博基尼蘭博基尼VIM可變進排氣歧管技術發動機
90年代中期以后，可變進氣歧管技術在汽上越來越流行。這種技術能提高發動機在中低轉速時的扭力輸出，對燃油經濟性和高轉速動力沒有壞的影響，因而能改善發動機的適應性。
通常的固定式進氣歧管，只能按照發動機的具體要求，或者按照高轉速和低轉速時的要求進行最優化的幾何設計，或者采用折中的辦法，但是無論那種設計，都不能兼顧到不同轉速時的需求。可變進氣歧管技術則可以分兩段或更多的級數來適應不同的發動機轉速。
可變進氣歧管技術與可變配氣技術有些類似，但是可變進氣歧管技術更注重的提高低轉速時的扭力輸出（對高轉速時功率的輸出提高效果不是很明顯），因此這種技術被非常廣泛的應用于普通的民用轎車上。不過這也不是絕對的，由于它能提供更好的引擎響應性，所以在運動型車上也逐漸開始采用這種技術，例如法拉力的360和575。
與可變配氣技術相比，可變進氣歧管技術成本更低——它只需要一些簡單的電磁閥和進氣管形狀的設計就能夠實現；而可變配氣技術則需要復雜而精確的液壓系統進行驅動，如果改變氣門行程，還需要一些特制的凸輪軸。
目前，有兩種可變進氣歧管技術：可變進氣歧管長度和可變進氣共振，他們都是通過進氣歧管的幾何設計實現的。下面我們就分別討論一下這兩種技術。
可變進氣歧管長度
可變進氣歧管長度是一種廣泛應用于普通民用車的技術，進氣歧管長度大部分被設計成分兩段可調——長的進氣歧管在低轉速時使用，短的進氣歧管在高轉速時使用。為何在高轉速時要設計為短進氣歧管？因為它能使得進氣更順暢，這一點應該很容易理解；但是為什么在低轉速時需要長進氣歧管呢，它不會增加進氣阻力嗎？
展開 法拉利跑車的聲學設計
如四條歧管先并為兩條，之后再并為一起的4-2-1方式；或者四條歧管直接并在一起的4-1方式。或者將V型發動機兩側不同氣缸先并在一起的方式，之后在進行組合合并的方式等。這些設計會對聲音飽滿度產生不同的影響。
好了，說完飽滿度，再來看看使聲音“干凈”的配方。記得前面講過，干凈的意思是只保留需要的階數而抑制或降低不需要的階數。對于干凈聲音的設計，第一條方法是采用等長度的排氣歧管。這一條不難理解，它可以保證來自各氣缸的聲響在各自經過歧管的總長度時產生相同的相位變化。
這頁PPT中，上圖是不等長歧管設計，下圖是等長歧管設計。
我們可以分別聽聽兩種不同設計的聲音：
聲音十二：不等長歧管勻速聲音
聲音十三：不等長歧管加速聲音
聲音十四：等長歧管勻速聲音
聲音十五：等長歧管加速聲音
正如階數圖上看到的那樣，等長歧管的聲音是不是既“飽滿”又“干凈”呢？
最后一條使聲音“干凈”的方法是在兩側排氣管路之間建立H狀連接，以濾掉一部分不希望產生的階數的聲音。如下面例子顯示的，經過設計的H型連接不會降低12階聲音（這是我們希望得到的聲音），卻可以有效濾掉11.5階的聲音（這是我們不希望得到的聲音階次）。這樣一來，本來就不顯著的11.5階聲音再次得到了有效的減弱，聲音的階次因此變得更加“干凈”。
最后介紹使聲音更“明亮”的方法。之前講過，明亮的聲音在中頻段的某目標頻率上下需要得到加強，而在更低或更高的頻率區間需要得到抑制。Francesco認為通過對進氣歧管的材料和加強筋進行設計，可以加強目標頻率左右的聲音。由于牽扯到結構設計，這點應該是利用聲振耦合的原理采取的設計。
另外，Francesco講到兩側排氣管道設計的車型，可使用前面講到的H型連接提高排氣聲音的明亮度。
展開 FEPG前處理建摸實例
帶插入歧管的容器建模實例
帶插入歧管的容器在壓力容器工業中應用廣泛，對于如圖1所示的帶插入歧管的容器建模工作，其難點在于插入部分與容器的連接處理，而且要把整個模型處理為一個實體，以便于接下來的有限元網格劃分和加載分析。建模思路和關鍵步驟如下：
圖1 帶插入歧管的容器模型
【建模思路】：
根據GID的從底向上的建模思想，首先生成兩個圓柱環面，然后通過相交處理得到歧管外表面與容器內外表面的交線，此時容器的內外表面和歧管道外表面自動被在交線處分割開來，分別刪去容器和歧管上的多余面和線，這樣得到的一個封閉面模型即是所需，然后由這些封閉面生成實體即可。
【關鍵步驟】：
1．分別生成表征容器和歧管端面兩個圓環線，注意位置關系，如圖2所示，為便于后面步驟的觀察和選擇，分別把容器和歧管放在兩個圖層里。（這里只是說明建模方法，所以具體尺寸和定位未詳細給出，參考坐標系如圖2中所示）
2．分別向相應方向拉伸這兩組圓環線，同時生成圓環面，如圖2所示。
展開 酷暑難當，你的筆記本電腦夠涼快嗎——使用 COMSOL Multiphysics 進行熱沉建模
而通過仿真，可以闡明各種熱沉設計的卓越傳熱性能，以及如何通過添加歧管式微通道 (MMC) 等元件來提高性能，從而為上述問題提供解決方案。今天，我們將利用仿真來探索 MMC 熱沉的工作方式。
防止損壞電子產品
筆記本電腦的設計一代比一代輕薄﹑快速，然而過熱的隱患也隨之而來。在越來越狹小的空間組裝越來越多的元件，這一趨勢意味著冷卻元件必須在不斷縮小的空間內驅散更多的熱量。如果筆記本電腦產生的熱量超過熱管理系統的承受范圍，就會產生引起火災的隱患。高效的冷卻系統可以降低這種風險，防止設備損壞。
一臺因過熱而燒壞的筆記本電腦。圖像由 PumpkinSky – PumpkinSky 家族提供。已獲 CC BY-SA 3.0 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。
要降溫，最常見的方式之一就是利用熱沉。正如我們在之前的一篇文章中提到的，這些冷卻系統有主動和被動兩種形式。主動熱沉會配有一個風扇，并且體積比被動熱沉要小一些。內置微通道可以彌補這種熱沉表面積較小的問題，并有助于散熱。這些傳統微通道 (TMC) 熱沉的效果顯著，但它們所承受的壓降和溫度變化也都非常大。
通過在 TMC 熱沉中加入歧管，就能克服這些障礙。這些歧管安放在與微通道垂直的位置上，用作冷卻空氣的分流器，并形成很多入口和出口。歧管式微通道 (MMC) 熱沉的熱阻更小，但表面積更大，可以將更多的熱量傳遞到空氣中。歧管的引入將顯著提高性能并減少溫度變化，因此，集成到電子設備中時會更加穩定。您可以使用仿真來確定歧管的最佳數量和位置。
在 COMSOL Multiphysics 中為歧管式微通道熱沉建模
盡管 MMC熱沉能有效散熱，但在生產過程中也面臨著一些挑戰。首先，最佳幾何參數和流動條件取決于風扇的排風功率。可能需要調整微通道的寬度、入口、出口和歧管，才能使熱沉達到最佳性能。
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