搜索基于CFD方法的排氣系統(tǒng)消音器冷凝水吹出性能分析
2016-09-01 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
基于CFD方法的排氣系統(tǒng)消音器冷凝水吹出性能分析
摘 要:本文通過計(jì)算流體力學(xué)方法,運(yùn)用Fluent軟件對汽車排氣系統(tǒng)消音器冷凝水吹出性能方面進(jìn)行校核計(jì)算,與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果比較,并找出影響消音器排水性能的原因;結(jié)果表明:對排氣系統(tǒng)消音器通過Fluent多相流計(jì)算可以準(zhǔn)確直觀的模擬出冷凝水吹出的動(dòng)態(tài)流動(dòng)過程,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合性良好。
關(guān)鍵詞:排氣系統(tǒng);計(jì)算流體力學(xué);冷凝水;Fluent
1 引言
汽車排氣系統(tǒng)位于車輛底部,連接發(fā)動(dòng)機(jī)出氣端與大氣,主要作用是排放凈化發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢氣、降低噪音、解耦發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等。如圖1所示,排氣系統(tǒng)通常由撓性節(jié)、三元催化器、消音器、排氣管、吊鉤吊耳、法蘭、排氣尾管等零件組成。排氣系統(tǒng)一般越接近發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的零件往往溫度越高,甚至可能達(dá)到800-900°C,高溫氣體排出至消音器內(nèi)部在停車熄火后會(huì)發(fā)生冷卻液化,形成冷凝水。如果設(shè)計(jì)不當(dāng),加之部分客戶會(huì)長期在低轉(zhuǎn)速下行車,冷凝水往往會(huì)在消音器內(nèi)部積聚不易吹出,其中含有燃油中帶來的氯離子、硫離子等對消音器內(nèi)部不銹鋼材料具有腐蝕作用,甚至?xí)鹣羝鲀?nèi)部管路腐蝕失去聲學(xué)功能甚至斷裂失效[1]?？梢娕艢庀到y(tǒng)在開發(fā)過程中,除了聲學(xué)、模態(tài)、熱力學(xué)、強(qiáng)度、耐久性、背壓等方面,冷凝水吹出性能也是必不可少的設(shè)計(jì)認(rèn)證內(nèi)容。
計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD), 是用電子計(jì)算機(jī)和離散化的數(shù)值方法對流體力學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的一個(gè)分支,已廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)等工程領(lǐng)域。相對于排氣系統(tǒng)開發(fā)試驗(yàn)而言,采用數(shù)值模擬方法來開發(fā)汽車排氣系統(tǒng),可以減少試驗(yàn)量,大大縮短設(shè)計(jì)周期以及降低設(shè)計(jì)成本,國內(nèi)外學(xué)者通過CFD方法在流體力學(xué)、熱力學(xué)、聲學(xué)、氣液混合多相流等多方面的研究[2-8],已取得了一系列的成果。
本文首先利用CFD軟件Fluent多相流組分輸運(yùn)模塊對兩種外形體積相同的排氣系統(tǒng)消音器進(jìn)行冷凝水吹出性能動(dòng)態(tài)分析,從流體力學(xué)方面找出影響其排水性能的關(guān)鍵因素,在此基礎(chǔ)上參考試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行排水試驗(yàn),并與模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
如圖11所示為本文設(shè)計(jì)的消音器排水試驗(yàn)原理示意圖。鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生氣流通過管路吹入注滿水的消音器,通過流量試驗(yàn)臺(tái)架控制消音器進(jìn)氣管口流量同為97 g/s,收集消音器排水,至其不再排水并測量。
試驗(yàn)結(jié)果表明:兩種方案消音器排出水的體積分別為9.93 L及10.27 L。可以驗(yàn)證說明b方案消音器排水能力強(qiáng)于a方案消音器,且模擬計(jì)算排水容積與試驗(yàn)相比十分接近。模擬計(jì)算誤差分別為3.9%及4.2%。
5 結(jié)果與分析
本文利用CFD多相流模塊動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算了兩種消音器排水能力,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證模擬計(jì)算結(jié)果,得出結(jié)論如下:
(1)冷凝水積聚于消音器內(nèi)部會(huì)造成消音器芯管殼體腐蝕失效甚至斷裂,在排氣系統(tǒng)開發(fā)過程中,排水性能是必不可少的設(shè)計(jì)認(rèn)證內(nèi)容。通過CFD軟件Fluent多相流模塊可以有效模擬計(jì)算驗(yàn)證消音器排水性能。
(2)本文中b方案消音器排水性能優(yōu)于a方案消音器,其主要原因在于b方案消音器內(nèi)部流體力學(xué)性能使其易于排水,即出氣管進(jìn)口端最低點(diǎn)軸向線速度較大,動(dòng)能較大,使其易于帶動(dòng)液滴克服阻力,故易于排水。
(3)本文通過試驗(yàn)方法同樣驗(yàn)證得出b方案消音器排水性能優(yōu)于a方案消音器,通過CFD多相流模擬計(jì)算所得排水容積結(jié)果與試驗(yàn)相比誤差分別為3.9%及4.2%。
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