本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)的排氣歧管仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體說是一種排氣歧管穩(wěn)態(tài)溫度場的檢測方法。
背景技術(shù)：
汽車發(fā)動機(jī)排氣歧管裝置的主要功能是匯集發(fā)動機(jī)各缸排出的高溫廢氣并盡可能完全的排出發(fā)動機(jī)。排氣歧管工作時是一個復(fù)雜的傳熱過程，在導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱同時作用下排氣歧管材料溫度極高，極易因熱應(yīng)力和熱變形而發(fā)生開裂等失效模式。隨著CAE分析技術(shù)在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，通過FEA計(jì)算方法可以計(jì)算出排氣歧管工作時的應(yīng)力應(yīng)變，為排氣歧管的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)方向。FEA計(jì)算前需要得到排氣歧管的溫度場，現(xiàn)有的方法是用CFD方法計(jì)算出排氣歧管內(nèi)流場和對流換熱系數(shù)，得出排氣歧管的溫度場。這種方法只體現(xiàn)了排氣歧管固體的導(dǎo)熱和內(nèi)部氣體的對流換熱，忽略了外部環(huán)境特別是增加了排氣歧管隔熱罩之后的輻射換熱對排氣歧管溫度場的影響，試驗(yàn)證明增加隔熱罩后排氣歧管材料表面溫度會增加30~50℃，這一變化對排氣歧管的應(yīng)力和應(yīng)變計(jì)算產(chǎn)生很大的影響。此外，目前的模擬計(jì)算方法還需要與之相符的試驗(yàn)驗(yàn)證才能保證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。因此需要一種新的更加符合實(shí)際情況的排氣歧管溫度場計(jì)算方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是一種排氣歧管穩(wěn)態(tài)溫度場的計(jì)算方法，從根本上解決了現(xiàn)有方法忽略外部環(huán)境和排氣歧管隔熱罩輻射換熱對排氣歧管溫度場的影響，更接近模擬排氣歧管的實(shí)際工作環(huán)境，易于操作。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：該排氣歧管穩(wěn)態(tài)溫度場的計(jì)算方法，其技術(shù)要點(diǎn)是，包括以下步驟：
步驟1)通過發(fā)動機(jī)性能仿真軟件GT-Power創(chuàng)建發(fā)動機(jī)一維模型，計(jì)算得到曲軸轉(zhuǎn)角范圍為0°CA~1440°CA的排氣歧管進(jìn)口的質(zhì)量流量和入口溫度，同時得到出口的壓力和溫度，作為CFD計(jì)算所需的排氣歧管進(jìn)出口邊界條件；
步驟2)發(fā)動機(jī)臺架性能試驗(yàn)得到發(fā)動機(jī)實(shí)際的性能數(shù)據(jù)，對一維計(jì)算結(jié)果校核，為下一步計(jì)算提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；
步驟3)利用Hypermesh軟件創(chuàng)建排氣歧管內(nèi)流場CFD網(wǎng)格模型；利用CFD仿真軟件Star CCM+計(jì)算出排氣歧管內(nèi)流場和速度馬赫數(shù)；計(jì)算時輸入的排氣歧管進(jìn)出口邊界條件為發(fā)動機(jī)；
步驟4)利用CFD仿真軟件Star CCM+計(jì)算出排氣歧管內(nèi)流場和速度馬赫數(shù)；計(jì)算時輸入的排氣歧管進(jìn)出口邊界條件為發(fā)動機(jī)性能仿真軟件GT-Power計(jì)算得到的結(jié)果，壁面邊界條件給定恒定的溫度1000K，排氣歧管內(nèi)流場瞬態(tài)控制方程采用可壓縮N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；
步驟5)找出CFD計(jì)算結(jié)果中排氣歧管內(nèi)壁速度馬赫數(shù)大于1的部位，通過增大圓角和分散集中點(diǎn)等方式優(yōu)化排氣歧管三維數(shù)模，避免排氣歧管內(nèi)壁產(chǎn)生熱應(yīng)力集中點(diǎn)；
步驟6)將優(yōu)化好的排氣歧管再次CFD仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果中壁面的換熱系數(shù)和流體溫度映射到排氣歧管網(wǎng)格上，得到壁面換熱系數(shù)和流體溫度分布，利用時間平均法得到內(nèi)壁面穩(wěn)態(tài)對流換熱系數(shù)和溫度場，并將其直接映射到內(nèi)壁面上作為下一步驟的邊界條件；
步驟7)對排氣歧管及周邊所有零件包括隔熱罩、入口法蘭和后法蘭網(wǎng)格劃分，建立完整的排氣歧管傳熱的網(wǎng)格模型，用于輻射換熱的計(jì)算；將完整的排氣歧管傳熱網(wǎng)格模型和材料屬性輸入到輻射換熱仿真軟件Radtherm中，以CFD軟件計(jì)算結(jié)果作為排氣歧管內(nèi)壁面的邊界條件，把排氣歧管外壁面和隔熱罩內(nèi)外表面都設(shè)置為與大氣環(huán)境直接接觸，計(jì)算出換熱系數(shù)；
步驟8)設(shè)置排氣歧管材料屬性：
入口法蘭為SUS441，厚度為3mm，表面輻射率為0.9；
排氣歧管為SUS441，厚度為2mm，表面輻射率為0.9；
出口法蘭為Q235，厚度為8mm，表面輻射率為0.9；
隔熱罩為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩層為鋁箔材料，厚度為0.3mm，表面輻射率為0.15，中間層為石墨材料，導(dǎo)熱性極差，輻射率可以忽略不計(jì)；
步驟9)將完整的排氣歧管傳熱網(wǎng)格模型和材料屬性輸入到輻射換熱仿真軟件Radtherm中，以CFD軟件計(jì)算結(jié)果作為排氣歧管內(nèi)壁面的邊界條件，把排氣歧管外壁面和隔熱罩內(nèi)外表面設(shè)置為與大氣環(huán)境直接接觸，換熱系數(shù)通過計(jì)算得到；最終計(jì)算出能夠較真實(shí)的模擬實(shí)際環(huán)境的排氣歧管溫度場結(jié)果，為排氣歧管的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算輸出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的有益效果：可實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)際的高度結(jié)合，首先發(fā)動機(jī)一維仿真計(jì)算結(jié)果要經(jīng)過發(fā)動機(jī)臺架性能試驗(yàn)的驗(yàn)證和校核，保證理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相符合；其次，利用CFD計(jì)算得到排氣歧管內(nèi)部流場和速度馬赫數(shù)，對排氣歧管流速過高的區(qū)域數(shù)模優(yōu)化，避免排氣歧管內(nèi)壁面存在熱應(yīng)力集中點(diǎn)；再次，對優(yōu)化后的排氣歧管數(shù)模CFD計(jì)算，得到內(nèi)壁面穩(wěn)態(tài)對流換熱系數(shù)和溫度環(huán)境；最后，利用輻射換熱仿真軟件，把排氣歧管隔熱罩加入計(jì)算當(dāng)中，這樣計(jì)算得到的溫度場數(shù)據(jù)更加符合實(shí)際情況。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合圖1，通過具體實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的內(nèi)容。該排氣歧管穩(wěn)態(tài)溫度場的計(jì)算方法，包括以下步驟：
步驟1)通過發(fā)動機(jī)性能仿真軟件GT-Power創(chuàng)建發(fā)動機(jī)一維模型，計(jì)算得到曲軸轉(zhuǎn)角范圍為0°CA~1440°CA的排氣歧管進(jìn)口的質(zhì)量流量和入口溫度，同時得到出口的壓力和溫度，作為CFD計(jì)算所需的排氣歧管進(jìn)出口邊界條件；
步驟2)發(fā)動機(jī)臺架性能試驗(yàn)得到發(fā)動機(jī)實(shí)際的性能數(shù)據(jù)，對一維計(jì)算結(jié)果校核，為下一步計(jì)算提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；
步驟3)利用Hypermesh軟件創(chuàng)建排氣歧管內(nèi)流場CFD網(wǎng)格模型；利用CFD仿真軟件Star CCM+計(jì)算出排氣歧管內(nèi)流場和速度馬赫數(shù)。計(jì)算時輸入的排氣歧管進(jìn)出口邊界條件為發(fā)動機(jī)；
步驟4)利用CFD仿真軟件Star CCM+計(jì)算出排氣歧管內(nèi)流場和速度馬赫數(shù)。計(jì)算時輸入的排氣歧管進(jìn)出口邊界條件為發(fā)動機(jī)性能仿真軟件GT-Power計(jì)算得到的結(jié)果，壁面邊界條件給定恒定的溫度1000K，排氣歧管內(nèi)流場瞬態(tài)控制方程采用可壓縮N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；
步驟5)找出CFD計(jì)算結(jié)果中排氣歧管內(nèi)壁速度馬赫數(shù)大于1的部位，通過增大圓角和分散集中點(diǎn)等方式優(yōu)化排氣歧管三維數(shù)模，避免排氣歧管內(nèi)壁產(chǎn)生熱應(yīng)力集中點(diǎn)；
步驟6)將優(yōu)化好的排氣歧管再次CFD仿真計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果中壁面的換熱系數(shù)和流體溫度映射到排氣歧管網(wǎng)格上，得到壁面換熱系數(shù)和流體溫度分布，利用時間平均法得到內(nèi)壁面穩(wěn)態(tài)對流換熱系數(shù)和溫度場，并將其直接映射到內(nèi)壁面上作為下一步驟的邊界條件；
步驟7)對排氣歧管及周邊所有零件包括隔熱罩、入口法蘭和后法蘭網(wǎng)格劃分，建立完整的排氣歧管傳熱的網(wǎng)格模型，用于輻射換熱的計(jì)算；將完整的排氣歧管傳熱網(wǎng)格模型和材料屬性輸入到輻射換熱仿真軟件Radtherm中，以CFD軟件計(jì)算結(jié)果作為排氣歧管內(nèi)壁面的邊界條件，把排氣歧管外壁面和隔熱罩內(nèi)外表面都設(shè)置為與大氣環(huán)境直接接觸，計(jì)算出換熱系數(shù)；
步驟8)設(shè)置排氣歧管材料屬性：
入口法蘭為SUS441，厚度為3mm，表面輻射率為0.9；
排氣歧管為SUS441，厚度為2mm，表面輻射率為0.9；
出口法蘭為Q235，厚度為8mm，表面輻射率為0.9；
隔熱罩為三層結(jié)構(gòu)，內(nèi)外兩層為鋁箔材料，厚度為0.3mm，表面輻射率為0.15，中間層為石墨材料，導(dǎo)熱性極差，輻射率可以忽略不計(jì)；
步驟9)將完整的排氣歧管傳熱網(wǎng)格模型和材料屬性輸入到輻射換熱仿真軟件Radtherm中，以CFD軟件計(jì)算結(jié)果作為排氣歧管內(nèi)壁面的邊界條件，把排氣歧管外壁面和隔熱罩內(nèi)外表面設(shè)置為與大氣環(huán)境直接接觸，換熱系數(shù)通過計(jì)算得到。最終計(jì)算出能夠較真實(shí)的模擬實(shí)際環(huán)境的排氣歧管溫度場結(jié)果，為排氣歧管的應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算輸出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。