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发动机排气歧管瞬态流固耦合换热分析
| 论文题名： | 发动机排气歧管瞬态流固耦合换热分析 |
| 关键词： | 排气歧管;流固耦合;压力损失;热应力;发动机 |
| 摘要： | 排气歧管是发动机排气系统关键的零部件之一，结构复杂，工作环境十分恶劣，排气歧管在工作过程中，不合理的排气歧管结构将导致内部气体流动性能低，壁面热应力集中导致产生裂纹，致使出现断裂、漏气等失效现象。排气歧管带有干涉结构会加剧发动机功率损失，影响其换气性能。因此，研究排气歧管内部气体流动特性及壁面瞬态传热过程，对提高排气歧管的工作性能和使用寿命具有重要意义。 首先，本文基于计算流体力学理论，提出排气歧管瞬态流固耦合换热模型的建立方法。应用GT-POWER建立发动机一维动力学仿真模型，与STAR-CCM+实现耦合，获取排气歧管瞬态边界条件，解决了排气歧管入口流量随时间动态变化设定的难题，建立了排气歧管瞬态流固耦合换热计算模型。 其次，本文对带有干涉结构的某四缸发动机排气歧管内流场进行瞬态计算，从时间-空间尺度对比分析不同时刻排气歧管内部气体流动状态、气门处流量变化、出口端速度分布，以及各缸压损不均度等性能，研究排气歧管内部气体流动特性。研究表明:各缸压损不均匀度分别为23.55％、2.69％、11.10％和15.14％，干涉结构会导致各缸压损不均匀度提高，排气出现回流和漩涡，产生涡流噪声和气门处震动，降低发动机换气效率。分析不同时间步长对排气歧管压力损失瞬态计算的影响以及最大热应力等性能的动态变化，综合考虑计算时间和占用资源等因素，提出排气压力损失的简化计算方法。6000r/min全负荷工况下，以1°CA经历的时间为时间步长，可以在有效的时间内获取准确的排气压力损失性能。 最后，本文对排气歧管进行多循环瞬态流固耦合换热分析，流体域和固体域直接耦合求解，监测壁面不同位置、不同深度梯度的温度和热应力分布以及在循环过程中的动态变化趋势，研究壁面瞬态传热过程。结果表明:热量由内侧向外侧传递，温度逐渐降低，直至达到动态平衡，由于各处结构、流质物性和流动状态不同，传热性质存在差异;最高温度出现在管路出口端所夹壁面，为1172.1K，此处受到气流冲击强烈，换热强度最大;管壁两侧表面热应力较高，向中心逐渐降低，各处热应力随着运行在小范围不断循环波动，最大热应力出现在管路间加强筋位置，达到190.02MPa，其值低于固体材料的抗拉强度370MPa，满足性能和使用要求。 |
| 作者： | 刘士成 |
| 专业： | 动力机械及工程 |
| 导师： | 侯献军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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