基于CFD方法的排氣系統消音器冷凝水吹出性能分析

2016-09-01  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

基于CFD方法的排氣系統消音器冷凝水吹出性能分析

  摘 要:本文通過計算流體力學方法,運用Fluent軟件對汽車排氣系統消音器冷凝水吹出性能方面進行校核計算,與試驗實測結果比較,并找出影響消音器排水性能的原因;結果表明:對排氣系統消音器通過Fluent多相流計算可以準確直觀的模擬出冷凝水吹出的動態流動過程,模擬結果與試驗結果吻合性良好。

  關鍵詞:排氣系統;計算流體力學;冷凝水;Fluent

  1 引言

  汽車排氣系統位于車輛底部,連接發動機出氣端與大氣,主要作用是排放凈化發動機產生的廢氣、降低噪音、解耦發動機振動等。如圖1所示,排氣系統通常由撓性節、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。排氣系統一般越接近發動機側的零件往往溫度越高,甚至可能達到800-900°C,高溫氣體排出至消音器內部在停車熄火后會發生冷卻液化,形成冷凝水。如果設計不當,加之部分客戶會長期在低轉速下行車,冷凝水往往會在消音器內部積聚不易吹出,其中含有燃油中帶來的氯離子、硫離子等對消音器內部不銹鋼材料具有腐蝕作用,甚至會引起消音器內部管路腐蝕失去聲學功能甚至斷裂失效[1]。可見排氣系統在開發過程中,除了聲學、模態、熱力學、強度、耐久性、背壓等方面,冷凝水吹出性能也是必不可少的設計認證內容。

  計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD), 是用電子計算機和離散化的數值方法對流體力學問題進行數值模擬和分析的一個分支,已廣泛應用于汽車設計等工程領域。相對于排氣系統開發試驗而言,采用數值模擬方法來開發汽車排氣系統,可以減少試驗量,大大縮短設計周期以及降低設計成本,國內外學者通過CFD方法在流體力學、熱力學、聲學、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多相流組分輸運模塊對兩種外形體積相同的排氣系統消音器進行冷凝水吹出性能動態分析,從流體力學方面找出影響其排水性能的關鍵因素,在此基礎上參考試驗規范進行排水試驗,并與模擬計算結果進行對比驗證。

  4 試驗驗證

  如圖11所示為本文設計的消音器排水試驗原理示意圖。鼓風機產生氣流通過管路吹入注滿水的消音器,通過流量試驗臺架控制消音器進氣管口流量同為97 g/s,收集消音器排水,至其不再排水并測量。

  試驗結果表明:兩種方案消音器排出水的體積分別為9.93 L及10.27 L。可以驗證說明b方案消音器排水能力強于a方案消音器,且模擬計算排水容積與試驗相比十分接近。模擬計算誤差分別為3.9%及4.2%。

  5 結果與分析

  本文利用CFD多相流模塊動態模擬計算了兩種消音器排水能力,并通過試驗驗證模擬計算結果,得出結論如下:

  (1)冷凝水積聚于消音器內部會造成消音器芯管殼體腐蝕失效甚至斷裂,在排氣系統開發過程中,排水性能是必不可少的設計認證內容。通過CFD軟件Fluent多相流模塊可以有效模擬計算驗證消音器排水性能。

  (2)本文中b方案消音器排水性能優于a方案消音器,其主要原因在于b方案消音器內部流體力學性能使其易于排水,即出氣管進口端最低點軸向線速度較大,動能較大,使其易于帶動液滴克服阻力,故易于排水。

  (3)本文通過試驗方法同樣驗證得出b方案消音器排水性能優于a方案消音器,通過CFD多相流模擬計算所得排水容積結果與試驗相比誤差分別為3.9%及4.2%。

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