一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，包括：1、利用CAD建模软件创建固体域和流体域的参数化几何模型；2、建立固体域和流体域的网格模型；3、建立发动机整机热力学模型，并控制发动机热力学计算值与发动机外特性试验数据的相对误差；4、定义对流换热和热辐射的热边界条件；5、执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算。本发明专利技术能弥补排气歧管和气阀室罩盖设计过程中难以直接评估排气歧管温度场分布和热辐射水平状况，解决排气歧管开裂失效以及因热辐射气阀室罩盖出现熔化的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法
本专利技术涉及内燃机排气系统
，特别涉及一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法。
技术介绍
随着世界发达国家的环保机构相继制定并颁发严苛的内燃机排放法规和燃油经济性指标，因而具备轻量化，高功率密度和低排放的内燃机将成为未来的主流开发产品，然而，为了实现内燃机更高的动力输出以及SCR选择性催化还原系统的催化转换效率，必将导致排气歧管热负荷的急剧上升，从而可能产生排气歧管开裂失效以及因热辐射气阀室罩盖出现熔化的问题。排气歧管通常必须承受极高的热负荷，这是因为排气歧管的内壁面直接与高温排气接触，并且排气歧管只能通过缸盖热传导，热辐射和空气对流换热的方式进行冷却，从而有可能导致排气歧管局部位置出现较大的温度梯度和最高温度超出材料所能承受的极限。由于热辐射是一种以电磁波传播能量的现象，因此可不依靠零部件的接触来传递能量。若排气歧管的温度越高，排气歧管辐射出的总能量也就越大。当排气歧管周围的零部件相互间的距离太近时，因受排气歧管热辐射的影响周围零部件的温度也会急剧增高，比如在实际试验过程中因热辐射作用塑料材质的气阀室罩盖的局部位置可能会出现熔化的现象。
技术实现思路
本专利技术目的在于弥补排气歧管和气阀室罩盖设计过程中难以直接评估排气歧管温度场分布和热辐射水平状况，提出一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，以期在试制排气歧管和气阀室罩盖样件之前对排气歧管温度场以及二者之间的热辐射水平进行评估，以解决排气歧管开裂失效以及因热辐射气阀室罩盖出现熔化的问题。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法的特点是按如下步骤进行：步骤1、在CAD建模软件中创建固体域和流体域的参数化几何模型，并导出固体域的参数化几何模型的stp格式文件和流体域的参数化几何模型的stl格式文件；所述固体域的参数化几何模型包括：缸盖、排气歧管、气阀室罩盖、增压器的涡轮壳和紧固螺栓；所述流体域的参数化几何模型为排气通道；步骤2、在Hyperworks软件中导入所述固体域的参数化几何模型的stp格式文件，并使用Hypermesh网格划分模块工具建立固体域的网格模型，同时利用MeshCheck网格检查工具对所述固体域的网格模型进行检查，从而输出所述固体域的inp网格文件；将所述流体域的参数化几何模型的stl格式文件导入三维CFD流体力学分析软件中，并使用FameHybridAssistant网格划分模块工具进行网格划分，从而建立流体域的网格模型；步骤3、采用发动机热力学分析软件建立发动机整机热力学模型，执行所述发动机整机热力学的仿真，从而得到发动机热力学计算值；依据发动机外特性试验数据对所述发动机整机热力学模型重新进行标定，从而使得所述发动机热力学计算值与所述发动机外特性试验数据的相对误差控制在Δ％以内；将所述发动机整机热力学模型的排气道入口和排气歧管出口的计算结果导出dat格式文件作为一维热力学边界条件；所述一维热力学边界条件的进口边界为排气的质量流量和温度，出口边界为排气的静压和温度；步骤4、定义对流换热和热辐射的热边界条件步骤4.1、定义变量n，并初始化n＝1；步骤4.2在所述三维CFD流体力学分析软件中建立流体域的瞬态分析模型，并用所述一维热力学边界条件对所述流体域中的排气道入口和排气歧管出口施加边界，同时为流体域外表面指定一个估算的平均温度值，从而执行第n次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n次迭代的瞬态CFD计算得到的流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度并作为第n次迭代的CFD数据；步骤4.3在ANSYS软件中导入所述固体域的inp网格文件，并将所述第n次迭代的CFD数据映射至所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格，从而得到所述固体域的排气侧对流换热的热边界条件；定义所述固体域的inp网格文件中的排气歧管外壁面的FEA面网格和气阀室罩盖外壁面的FEA面网格的热边界条件为空气的自然对流换热系数和试验环境温度；步骤4.4在所述ANSYS软件中的热辐射模块中采用Radiosity热辐射求解方法对所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换进行计算：a)在所述固体域的inp网格文件中指定两组NamedSelections面选择，并指定每组所述NamedSelections面选择具有相同的Emissivity辐射率，从而使得两组所述NamedSelections面选择的面与面之间存在相互热辐射作用；b)在所述ANSYS软件中插入命令流对象，并将所述Radiosity热辐射求解方法用APDL参数化设计语言命令流进行编译，从而计算得到所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换；步骤5执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算步骤5.1、在所述ANSYS软件中EngineeringData工程数据模块的Material材料库中分别定义缸盖、排气歧管和增压器的涡轮壳的材料属性、气阀室罩盖的材料属性以及紧固螺栓的材料属性；步骤5.2、在所述ANSYS软件中针对所述固体域的inp网格文件建立考虑热辐射的稳态传热模型，并调用Steady-statethermalsolver稳态传热求解器后，选择并激活Temperature温度和Radiation辐射的标签，从而执行第n次迭代的稳态传热计算，获得所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的温度场数据并作为第n次迭代的FEA数据；步骤5.3将所述第n次迭代的FEA数据导入所述三维CFD流体力学分析软件中，并在所述流体域的瞬态分析模型中使用所述第n次迭代的FEA数据替换所述流体域外表面的估算的平均温度值后，执行第n+1次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n+1次迭代的瞬态CFD计算得到的所述流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度作为第n+1次迭代的CFD数据；步骤5.4在所述ANSYS软件中导入所述第n+1次迭代的CFD数据，并替换所述固体域的排气侧的所述第n次迭代的CFD数据，从而针对所述考虑热辐射的稳态传热模型进行第n+1次迭代的稳态传热计算，从而得到所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的第n+1次迭代的温度场数据并作为第n+1次迭代的FEA数据，若所述第n+1次迭代的FEA数据与所述第n次迭代的FEA数据之间的最大温差小于Δ℃，则表示稳态传热的计算结果收敛，从而结束所述固体域与流体域的间接耦合迭代计算，否则，将所述第n+1次迭代的FEA数据替换所述第n次迭代的FEA数据，并将n+1赋值给n后，返回步骤5.3。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：1、本专利技术提供的一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，可以在试制排气歧管和气阀室罩盖样件之前了解排气歧管的温度场和热辐射水平的情况，并衡量排气歧管与气阀室罩盖的距离是否设计合理以及判定排气管温度是否超出材料所能承受的温度极限，从而解决了在发动机试验阶段出现的排气歧管开裂失效以及因本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、在CAD建模软件中创建固体域和流体域的参数化几何模型，并导出固体域的参数化几何模型的stp格式文件和流体域的参数化几何模型的stl格式文件；所述固体域的参数化几何模型包括：缸盖、排气歧管、气阀室罩盖、增压器的涡轮壳和紧固螺栓；所述流体域的参数化几何模型为排气通道；步骤2、在Hyperworks软件中导入所述固体域的参数化几何模型的stp格式文件，并使用Hypermesh网格划分模块工具建立固体域的网格模型，同时利用Mesh Check网格检查工具对所述固体域的网格模型进行检查，从而输出所述固体域的inp网格文件；将所述流体域的参数化几何模型的stl格式文件导入三维CFD流体力学分析软件中，并使用Fame Hybrid Assistant网格划分模块工具进行网格划分，从而建立流体域的网格模型；步骤3、采用发动机热力学分析软件建立发动机整机热力学模型，执行所述发动机整机热力学的仿真，从而得到发动机热力学计算值；依据发动机外特性试验数据对所述发动机整机热力学模型重新进行标定，从而使得所述发动机热力学计算值与所述发动机外特性试验数据的相对误差控制在Δ％以内；将所述发动机整机热力学模型的排气道入口和排气歧管出口的计算结果导出dat格式文件作为一维热力学边界条件；所述一维热力学边界条件的进口边界为排气的质量流量和温度，出口边界为排气的静压和温度；步骤4、定义对流换热和热辐射的热边界条件步骤4.1、定义变量n，并初始化n＝1；步骤4.2在所述三维CFD流体力学分析软件中建立流体域的瞬态分析模型，并用所述一维热力学边界条件对所述流体域中的排气道入口和排气歧管出口施加边界，同时为流体域外表面指定一个估算的平均温度值，从而执行第n次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n次迭代的瞬态CFD计算得到的流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度并作为第n次迭代的CFD数据；步骤4.3在ANSYS软件中导入所述固体域的inp网格文件，并将所述第n次迭代的CFD数据映射至所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格，从而得到所述固体域的排气侧对流换热的热边界条件；定义所述固体域的inp网格文件中的排气歧管外壁面的FEA面网格和气阀室罩盖外壁面的FEA面网格的热边界条件为空气的自然对流换热系数和试验环境温度；步骤4.4在所述ANSYS软件中的热辐射模块中采用Radiosity热辐射求解方法对所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换进行计算：a)在所述固体域的inp网格文件中指定两组Named Selections面选择，并指定每组所述Named Selections面选择具有相同的Emissivity辐射率，从而使得两组所述Named Selections面选择的面与面之间存在相互热辐射作用；b)在所述ANSYS软件中插入命令流对象，并将所述Radiosity热辐射求解方法用APDL参数化设计语言命令流进行编译，从而计算得到所述固体域的面与面、面与环境之间的热辐射能量交换；步骤5执行固体域和流体域的间接耦合迭代计算步骤5.1、在所述ANSYS软件中Engineering Data工程数据模块的Material材料库中分别定义缸盖、排气歧管和增压器的涡轮壳的材料属性、气阀室罩盖的材料属性以及紧固螺栓的材料属性；步骤5.2、在所述ANSYS软件中针对所述固体域的inp网格文件建立考虑热辐射的稳态传热模型，并调用Steady‑state thermal solver稳态传热求解器后，选择并激活Temperature温度和Radiation辐射的标签，从而执行第n次迭代的稳态传热计算，获得所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格上的温度场数据并作为第n次迭代的FEA数据；步骤5.3将所述第n次迭代的FEA数据导入所述三维CFD流体力学分析软件中，并在所述流体域的瞬态分析模型中使用所述第n次迭代的FEA数据替换所述流体域外表面的估算的平均温度值后，执行第n+1次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n+1次迭代的瞬态CFD计算得到的所述流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度作为第n+1次迭代的CFD数据；步骤5.4在所述ANSYS软件中导入所述第n+1次迭代的CFD数据，并替换所述固体域的排气侧的所述第n次迭代的CFD数据，从而针对所述考虑热辐射的稳态传热模型进行第n+1次迭代的稳态传热计算，从而得到所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网...

【技术特征摘要】
1.一种考虑热辐射的发动机排气歧管的温度场分析方法，其特征是按如下步骤进行：步骤1、在CAD建模软件中创建固体域和流体域的参数化几何模型，并导出固体域的参数化几何模型的stp格式文件和流体域的参数化几何模型的stl格式文件；所述固体域的参数化几何模型包括：缸盖、排气歧管、气阀室罩盖、增压器的涡轮壳和紧固螺栓；所述流体域的参数化几何模型为排气通道；步骤2、在Hyperworks软件中导入所述固体域的参数化几何模型的stp格式文件，并使用Hypermesh网格划分模块工具建立固体域的网格模型，同时利用MeshCheck网格检查工具对所述固体域的网格模型进行检查，从而输出所述固体域的inp网格文件；将所述流体域的参数化几何模型的stl格式文件导入三维CFD流体力学分析软件中，并使用FameHybridAssistant网格划分模块工具进行网格划分，从而建立流体域的网格模型；步骤3、采用发动机热力学分析软件建立发动机整机热力学模型，执行所述发动机整机热力学的仿真，从而得到发动机热力学计算值；依据发动机外特性试验数据对所述发动机整机热力学模型重新进行标定，从而使得所述发动机热力学计算值与所述发动机外特性试验数据的相对误差控制在Δ％以内；将所述发动机整机热力学模型的排气道入口和排气歧管出口的计算结果导出dat格式文件作为一维热力学边界条件；所述一维热力学边界条件的进口边界为排气的质量流量和温度，出口边界为排气的静压和温度；步骤4、定义对流换热和热辐射的热边界条件步骤4.1、定义变量n，并初始化n＝1；步骤4.2在所述三维CFD流体力学分析软件中建立流体域的瞬态分析模型，并用所述一维热力学边界条件对所述流体域中的排气道入口和排气歧管出口施加边界，同时为流体域外表面指定一个估算的平均温度值，从而执行第n次迭代的瞬态CFD计算；将所述第n次迭代的瞬态CFD计算得到的流体域外表面的瞬态换热系数和近壁面气体温度进行时均化处理，从而获得时均化的瞬态换热系数和近壁面气体温度并作为第n次迭代的CFD数据；步骤4.3在ANSYS软件中导入所述固体域的inp网格文件，并将所述第n次迭代的CFD数据映射至所述固体域的inp网格文件中的排气歧管内壁面的FEA面网格和排气道内壁面的FEA面网格，从而得到所述固体域的排气侧对流换热的热边界条件；定义所述固体域的inp网格文件中的排气歧管外壁面的FEA面网格和气阀室罩盖外壁面的FEA面网格的热边界条件为空气的自然对流换热系数和试验环境温度；步骤4.4在所述ANSYS软件中的热辐射模块中采用Radiosity热辐射...

【专利技术属性】
技术研发人员：何常明，朱文军，
申请(专利权)人：安徽江淮纳威司达柴油发动机有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34