王书满
（徐州开放大学，江苏 徐州 221116）
摘 要：内燃机排气歧管是内燃机排气系统的主要组成部分，排气歧管的气体流动性能和动压力性能直接影响到内燃机的动力性、排放性和经济性.本文针对某型防爆柴油机排气歧管的结构进行性能分析，通过FLUENT模拟分析提出改进措施.
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关键词 ：排气歧管；有限元；性能；FLUENT；分析
中图分类号：TK428文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）04-0038-02
排气歧管是车辆内燃机排气系统中的重要组成部分，影响着内燃机的动力性、经济性和排放.通过合理的数据分析对排气管路安装方式、尺寸和结构进行优化，有效地降低内燃机排气背压高，减少管路中出现排气紊流而造成的回压现象的出现，以保证内燃机稳定工作的可靠性.
1 研究对象
FB4105防爆柴油机的主要技术参数：防爆净功率40KW；转速2300r/min；净重350kg；总排量2.5L.
建立虚拟三维物理模型，为计算机流体动力学的分析提供理论基础.通过数学模型解决气体的状态、设置边界条件，获得相关的参数，进行数值模拟分析，对速度、压力和湍动能流场进行分析，通过优化排气歧管某一局部结构来实现对排气歧管性能的改进，以提高设备工作效率，缩短开发周期，节省开发费用.
根据测绘数据，应用三维软件建立排气歧管的三维模型，从三维模型图中抽取出气道三维图.
设置排气系统数学模型边界条件：
（1）入口边界条件：根据柴油机排量和转速给定入口速度V=12.06m/s，根据废气排放温度给定入口温度600℃，根据入口流速和结构给定入口处的湍流强度为0.3MPa.
（2）出口边界条件：给定压力出口条件，假定出口压力为大气压力；
（3）壁面边界条件：壁面边界条件为无滑移速度边界条件.
2 分析过程
2.1 Fluent软件功能
Fluent是计算流体动力学CFD通用软件包之一，可以用来模拟分析不可压缩或可压缩范围内的复杂流体.Fluent具有多种求解方法、结构网格划分以及非结构网格划分技术，能够获得最佳的收敛速度和求解精度.使Fluent软件在机械制造、电子器械、航空航天、船舶制造、传热与相变、化工生产、噪声控制等方面得到广泛应用.
GAMBIT是为了建立并网格化计算流体力学（CFD）模型的一个软件.通过GAMBIT的用户界面（GUI）可以接受CAD等软件设计的模型输入或者利用本身的功能进行几何模型设计.GAMBIT是计算机流体力学软件模拟分析的前处理器，其主要功能包括几何模型的建立和网格生成.
2.2 分析过程
根据虚拟样机进行优化后，并把排气歧管气道三维模型导入Gambit软件中，建立流场的分析区域、进行网格划分并根据要求设定边界条件.划分排气歧管气道内流场网格，网格划分采用Tet/Hybrid（四面体单元/混合单元），单元类型为Tgrid（混合网格），主要采用四面体单元网格，部分使用三角形网格、六面体网格等，共划分了60757个网格单元.对排气歧管内流体进行100次迭代计算，从迭代残差图可以看出，图形由上向下逐渐减少，迭代100次后迭代解已经收敛到允许的误差范围了.
排气气门叠开时，第三缸已经开始排气，第一缸并没有关闭，对两个气缸都在排气现象进行模拟分析，结果显示第一缸现象和单独工作时差不多，第三缸到出口的拐弯处速度和压力变化不是太大.通过图3可以看出，第一缸和第三缸同时工作时，他们中间的第二缸处出现了明显的涡流区域，图4显示气流在气道内波动很大.
第三缸排气时模拟分析结果
分析速度矢量图和压力分布云图可以看出，第三缸单独工作时仍然显示在到出口的拐弯处的区域，速度和压力变化很大，这一区域的动压很明显，对第一缸和第二缸的影响为出现了涡流现象，但是不是太大，对第四缸的影响不大.图8显示气道内的气流也出现了波动.
2.3 模拟结果分析
以第一、三缸气门叠开时排气模拟分析和第三缸排气时模拟分析结果对比为例，每个气缸到出口的拐弯处都出现了速度和动压变化较大的区域，排气时对其他气缸产生了涡流现象，气门叠开时，气道内的气流波动很大，各缸之间会产生相互干扰，即刚打开的气缸排气时，正好碰到即将关闭的缸窜来的没有排净的废气，这样就增加了排气的阻力，进而降低发动机的输出功率.分析显示废气气流较大，在转弯处，废气的流场通畅性差，易引起排气歧管在转弯处出现涡流，造成回压，废气流经转弯处时会产生一个很强的反射压力波，气缸干涉增强，影响了废气的排放，造成排气回压内燃机的排气阻力增大，内燃机排气功率下降.同时，转弯处的管壁受到废气冲击强烈，由于废气温度较高，易引起排气歧管的断裂.
3 小结
通过Fluent软件及网格划分前处理器Gambit建立排气歧管有限元模型，对气道进行了网格划分.并对单缸气门开启时，气道内的流速和压力进行了模拟仿真，得到了速度矢量图和压力分布图；并对两个缸在气门叠开时，气道内的流速和压力进行了模拟仿真，获得了速度矢量图和压力分布图.
对模拟结果进行了分析，多合一的排气歧管产品是较简单的漏斗形，在设计生产中能容易控制，缺点是不能让各支管排出的废气均匀混合排出，特别在气门叠开的时候，容易造成排气干涉现象的发生.