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中国内燃机学会燃烧节能净化分会2009年学术年会 CSICE2009-068 车用柴油机排气管热负荷模拟研究 周祥军1 （1. 广西玉柴机器股份有限公司工程研究院，广西玉林 537005 ） 摘要：本文采用流固耦合的方法对某四缸车用柴油机排气管的热负荷进行了分析。根据计算分析结果，提出了改进方案。 结合AVL公司的BOOST和FIRE软件分别进行了发动机热力学计算、内流场的瞬态CFD计算、外流场的稳态CFD计算，得 到排气管内、外壁面的对流换热系数和温度；在FIRE软件中采用流固耦合的方法，将排气管内外壁面的边界（对流换热 系数和温度）映射到有限元模型中，得到有限元模型的边界；用ABAQUS软件进行排气管的温度场及其热应力计算。计 算结果表明，断裂处存在热应力集中问题，并提出了改进方案。 关键词：柴油机；排气歧管；热应力；CFD；流固耦合 1 前言 外反馈某柴油机排气管出现裂纹故障，故障图 片见图 1 所示，为找到裂纹原因，特对原型方案进 行了热应力计算。 排气管的热应力是通过流固耦合的方法来计算 的。首先用 BOOST 软件进行该发动机的热力学计 算，得到该排气管进出口的流量、压力和温度，然 图2 排气管有限元模型 后用FIRE 软件计算排气管瞬态内流场，得到排气管 2.2 边界条件 内壁面的对流换热系数和温度；再用FIRE 软件进行 发动机舱的计算，得到排气管外壁面的对流换热系 2.2.1 排气管内流场计算边界条件的处理 数和温度；在排气管内外壁的对流换热系数通过流 图3 为排气管内壁面有限元网格，图4、5 分别 场计算得到以后，用 ABAQUS 计算排气管的温度 为插值后排气管内壁面的对流换热系数和温度分 场，然后再计算排气管热应力。 布。 图1 排气管开裂故障图片 图3 排气管内壁面有限元网格 2 计算模型和边界条件 2.1排气管有限元模型 排气管有限元模型见图2 ，单元是10 节点四面 体单元，其节点数为118276，单元数为65070 。 作者简介：周祥军（1976－），男，硕士研究生，研究方向：整车及发动机冷却系统匹配、内燃机热负荷。 E-mail: whutzxj@163.com 中国内燃机学会燃烧节能净化分会2009年学术年会 CSICE2009-068 图4 插值后排气管内壁对流换热系数的分布云图 图7 排气管外壁对流换热系数分布云图 图8 排气管外壁温度分布云图 图5 插值后排气管内壁温度分布云图 2.2.3 排气管温度场计算边界条件 2.2.2 排气管外流场计算边界条件的处理 排气管与缸盖相连的端面A 及排气管与排气直 图6 为排气管外流场计算模型，网格用FAME 管相连的端面 B （如图9 所示）给定均布的温度； 划分，单元数约为211 万。 排气管内壁面的对流换热系数和温度由内流场计算 图9、10 为插值后排气管外壁对流换热系数和 而来，排气管外壁面的对流换热系数和温度由外流 温度分布。