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柴油機(jī)排氣歧管的CFD-FE耦合分析

摘要：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的迅速發(fā)展使人們能夠很容易的建立幾何形狀、材料性能和負(fù)載情況復(fù)雜的模型，并分析其在模擬接近實(shí)際情況的運(yùn)行條件下的變形和應(yīng)力。然而跨學(xué)科多物理量分析的效率和質(zhì)量卻高度依賴于各有限元軟件、材料科學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)工程師之間專業(yè)知識(shí)的獲取與融合。瑞士的蘇爾壽公司（Sulzer Innotec）對(duì)裝有水冷系統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的熱應(yīng)力數(shù)值研究就是一個(gè)典型的例子。首先，為了確定具體的溫度和壓力分布，在固定的運(yùn)行條件下，對(duì)排氣歧管進(jìn)行三次不同冷卻液流動(dòng)的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）分析，利用計(jì)算流體力學(xué)模擬排氣歧管的流體流動(dòng)和傳熱以及流體與排氣歧管之間的耦合傳熱。模擬分析得到的計(jì)算流體力學(xué)網(wǎng)格固體部分的溫度分布就是第二步中的載荷。隨后，利用單向耦合并考慮材料非線性性能的方法對(duì)排氣歧管結(jié)構(gòu)的ABAQUS有限元模型進(jìn)行分析，確定其相關(guān)的變形和熱應(yīng)力，而該有限元模型包括600000個(gè)單元數(shù)量。通過(guò)蘇爾壽公司開(kāi)發(fā)的算法對(duì)四面體類(lèi)型的10節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行溫度插值。本文主要是提出并討論整個(gè)的研究過(guò)程與結(jié)果。
　　　
關(guān)鍵詞：CFD耦合，傳熱，熱應(yīng)力

1概述
　　　排氣歧管是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中易破裂損壞的部件，即使是性能優(yōu)良的鑄造合金材料，在經(jīng)受相對(duì)較高的溫度時(shí)也會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力和位移。Sulzer Innotec公司為Guascor公司對(duì)一款設(shè)計(jì)有水冷卻系統(tǒng)的排氣歧管（圖1）的熱機(jī)械變形進(jìn)行了一系列的計(jì)算流體力學(xué)-有限元（CFD-FE）耦合模擬計(jì)算。本文對(duì)以下三種冷卻情況進(jìn)行分析：
　　　·全流量冷卻