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某发动机排气歧管热负荷分析

肖彬，穆建华，梁源飞,李露露，韦善景

上汽通用五菱汽车股份有限公司

摘要：本文采用流固耦合的方法对某款汽车发动机排气歧管的开发进行验证，指导排气歧管设计

工作。对排气歧管进行热应力仿真计算，首先用CFD软件计算排气歧管内外壁面的对流换热系数

和环境温度，再用有限元的方法计算了排气歧管的温度场和热应力。通过仿真分析得到排气歧管

设计开发中可能出现的危险区域，指导排气歧管的开发设计。

关键词：排气歧管1；流固耦合2；温度场3；热应力4

Thermalloadanalysisofengineexhaustmanifold

XiaoBin,MuJianhua,LiangYuanfei,LiLulu,WeiShanjing

SAICGMWulingAutomobileCo.,Ltd.

Abstract：Thisarticleadoptsthefluid-structurecouplingmethodtoguidethedesignofaengine

exhaustmanifold.Toaccomplishthethermalstresssimulation,firstlywecalculatetheconvectiveheat

transfercoefficientandtheenvironmenttemperatureofbothexhaustmanifold’sinsideandoutsidewall.

Thenweusethefiniteelementmethodtocalculatethetemperaturefieldandthermalstressofexhaust

manifold.Withthermalsimulationanalysis,wefoundthethermalstress’sriskareaandobtainedthe

designguidanceoftheexhaustmanifold.

KeyWords:exhaustmanifold;fluid-solidcoupling;temperaturefield;thermalstress

2.1内流场计算与结果1.前言

首先考虑热负荷最恶劣的情况,即在发动

机额定功率下的工况,通过GTPower软件计算随着内燃机性能的不断提高，其零部件的

热负荷也随之增大。排气歧管作为发动机的主

得到了发动机在额定转速6000rpm时一个工

作循环下排气歧管各个出口的流量、温度随曲

要受热件，具有工作热负荷大、热应力高等特

点，容易产生热疲劳失效、断裂等问题。因此

轴转角变化的曲线，作为Fire软件的瞬态边

界条件来计算排气歧管的内流场，得到排气歧

在发动机的设计阶段，对排气歧管进行热应力

分析是非常有必要的。本文采用流固耦合的方

管内壁面的瞬态对流换热系数和环境温度，再

用时间平均的方法计算出内壁面对流换热系法计算排气歧管的温度场和热应力，先用FIRE

软件分析排气歧管内外壁面的对流换热系数

数及环境温度，如图2.1所示。

和环境温度，再用ABAQUS软件计算温度场和

热应力。

2.排气歧管CFD计算

作者简介:肖彬(1985-),女,硕士研究生;研究方向:汽车发动机CAE

E-mail：bin.xiao@

可知，排气歧管温度分布不均匀，存在较大温

差，这就必然产生较大的热应力。

图2.1内壁面换热系数和温度

2.2外流场计算与结果

外流场采用稳态计算方法，计算模型是模

拟在实验室情况下，发动机前方布置一个风扇，

以2.5kg/s的空气流量吹向发动机，（试验数

据），对发动机进行冷却，出口采用静压即一

2号法兰盘1号法兰盘个标准大气压。同样考虑热负荷最恶劣的情况，

即在发动机额定功率下的工况，根据性能计算

图3.1排气歧管的温度分布

得到排气歧管外部壁面温度和换热系数,如图

2.2所示。

4.排气歧管热应力计算

4.1排气歧管有限元模型

排气歧管FE模型如图4.1所示，计算网

格包括排气歧管、排气歧管螺栓和一个简化的

同排气歧管相连的部分气缸盖网格。其中，排

气歧管与部分缸盖采用十节点的四面体网格，

螺栓采用一阶六面体网格。在计算中，建立了

螺栓和排气歧管、排气歧管和气缸盖间的接触

边界条件。计算中设定图4.1中的端面A为

固定约束，由于计算对象为排气歧管，所以气

缸盖的过约束对其计算影响不大。

图2.2外壁面换热系数和温度

3.排气歧管温度场计算

排气歧管