发动机排气歧管的传热有限元分析

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发动机排气歧管是发动机总成系统的重要部件之一，它将各缸的排气集中起来导入排气总管。为使各缸的排气尽量分开，一般1-2缸一个分支，并使每个分支尽量加长并独立成型以减少不同管内的气体相互影响。

排气歧管在发动机总成中的位置（红圈所示）

早期的汽车发动机，单位重量的功率低，燃料的燃烧效率不高，所排出的废气温度不超过500 ℃。随着汽车发动机效率的提高，排气温度提高到600~650 ℃。发达国家近年来不断提高汽车尾气排放标准，催化技术和蜗轮增压技术的应用更是显著提高了排气歧管的工作温度，达到了750 ℃以上。随着发动机性能的进一步提高，排气歧管的工作温度还要提高。与此同时，随着发动机技术的进步，排气歧管的结构也随之复杂化，加之在循环交变温度状态下工作，要求排气歧管设计和材料要具有良好的高温性能。

形态各异的排气歧管

根据发动机的类型和功能，排气歧管设计多变且复杂。而现代发动机排气歧管的设计都需要经过有限元分析，充分预测传热和结构性能以后，才会制造或量产。本实例将演示排气歧管的稳态传热分析。该模型是一个由不锈钢制成的排气歧管。本例使用WELSIM软件作为分析工具，但分析方法与步骤和其他有限元软件是一致的。

形态各异的排气歧管2

本实例包含以下内容：

热通量（Heat Flux）边界条件。
对流（Heat Convection）边界条件。
设置材料以进行传热分析。
此分析的单位制是英寸、磅和秒。

打开软件并设置单位

启动 WELSIM。
菜单栏中，选择“文件（File）/首选项（Preferences）/通用（General）/单位（Units）”。将单位设置为U.S. Customeray (inch)。

单位设置面板

定义材料属性

菜单栏中，点击击“材料（Material）”，然后选择“添加材料（Add Material）”。
双击新建的材料节点，打开材料编辑面板。
点击创建（Build）标签，并添加密度（Density），输入密度值为 0.283599 lbm/in^3。
添加各项同性热传导率（Isotropic Thermal Conductivity），输入热传导率值为 0.0005555 BTU/s/in/F。
添加比热（Specific Heat），输入特热值为40.53 BTU/lbm/F。

编辑分析所需的材料属性

设置分析

单击树视图中的“FEM项目（Project）”，将属性窗口中的物理类型（Physics Type）设置为热（Thermal）。

设置分析类型

导入模型

菜单栏中，点击几何模型（Geometry）/导入（Import），导航至%安装目录%\data文件夹，并打开exhaust_manifold_1.step文件。

排气歧管CAD模型

定义网格

在树视图窗口中，单击网格设置（Mesh Settings）节点，将二阶单元（Quadratic）属性设置为真（True）。
菜单栏中，选择FEM/全局网格划分（Mesh All），系统将自动划分网格。
网格生成后，模型应如下所示。

排气歧管有限元网格

施加载荷

在菜单栏中，选择传热（Thermal）/初始温度（Initial Temperature），保持默认温度72.14 F不变。

初始温度条件

在菜单栏中，选择传热（Thermal）/热通量（Heat Flux）。选择法兰的内表面以及构成孔的所有5条管。选中表面表面将以黄色高亮显示。热通量（Heat Flux）值输入 0.03 BTU/s/in^2。

热通量（Heat Flux）边界条件

在菜单栏中，选择传热（Thermal）/对流（Convection）。选择构成法兰的表面，以及管的外表面。选中表面将以黄色高亮显示。对流系数（Film Coefficient）值输入 5E-5 BTU/s/in^2/F。环境温度（Ambient Temperature）保持默认值 72.14 F。