汽车排气系统流固耦合分析研究*

陆修进 张昆 杨秀建 李剑荣

（昆明理工大学交通工程学院云南昆明650500）

汽车排气系统流固耦合分析研究*

陆修进 张昆 杨秀建 李剑荣

（昆明理工大学交通工程学院云南昆明650500）

主要研究了气流对排气系统振动特性的影响。利用ANSYS Workbench分析软件对排气系统作了流场分析、静力学分析、模态分析的数值模拟研究，并在此基础上完成了流固耦合分析，对耦合及非耦合的结果进行了对比。研究结果表明，气流对排气系统结构振动和变形的影响主要在低频区，与非耦合相比，耦合模态频率最大增幅可达3.5%，振型最大偏离为2mm，为进一步优化排气系统结构提供依据。

消声器流场排气系统静力学模态分析流固耦合

引言

排气系统是车辆的一个重要组成部分，其性能的好坏关系到发动机的动力性、经济性和排放性等。排气系统承受着来自发动机本身激励，排气气流高速、高温、高压激励，车身和路面激励等动载荷的影响，很容易发生结构振动或共振，这使其功能的发挥和实际使用寿命都受到影响。排气系统的运行其实是弹性固体壳体与气体流体相互作用的管道系统流固耦合过程，机械壳体在排气气流动载荷作用下会产生振动或变形，而壳体的振动或变形又反过来作用于流体运动的流场[1]，所以研究排气系统流固耦合是很有实际意义的。

流固耦合是固体力学与流体力学交叉而生成的一门独立的力学分支。B.Sreejith等人以不同流速为边界，利用流固耦合有限元分析方法研究了管道系统振动特性[2]。Chang-Myung Leed等发表了使用简化有限元模型对排气系统的结构特性研究的文章[3]。河海大学吕海艳通过流体与结构之间的边界接触来实现输流管道流固耦合振动，对系统进行频域模态分析[4]。西安大学冯凌寒利用ANSYS对5种水轮机喷嘴进行了流体动力学分析、结构静力学分析、模态和单向流固耦合分析[5]。在前人研究的基础上，利用ANSYS Workbench软件在排气气流和壳体连接边界处进行了结构振动特性模态分析和流体流场分析，然后将流场分析的结果准确传递到模型上，得到了排气系统的振动流固耦合模型，同时进行了耦合及非耦合情况下的计算，研究结果很有实际意义。

1 有限元模型的建立

本次研究模型为一汽红塔提供的HT01001X型排气系统，由于系统结构复杂，有些结构不能完全采用网格划分的方法生成有限元模型。可以根据圣维南原理[6]，假设排气系统分析模型不考虑三效催化器和波纹管，忽略法兰的质量和形状，还简化了倒角、圆角等结构，利用Siemens NX建立精确简化后排气系统的三维几何模型。在模拟分析前要把几何区域进行离散化，网格划分质量决定了模型的分析速度和计算结果准确性。一般对结构振动特性模态分析的模型，采用较为均匀和粗糙的高阶单元网格形式，在局部区域还需要网格细分控制；对流场特性分析模型的网格划分，在隔板小孔、内插管小孔和排气进出口边界等影响计算结果很大的部分采用膨胀法细化网格。把排气系统分析模型的网格划分控制设置为：平滑—中等、相关联中心—粗糙、物理环境—结构力学、过度—快速、跨角中心—粗糙。基于结构振动特性分析理论、流体流场分析理论和流固耦合分析理论等理论基础，建立的排气系统有限元分析模型如图1所示。

图1 排气系统有限元分析模型

2 ANSYS的排气系统有限元分析

2.1 排气系统有限元模态分析

模态分析可以确定结构的固有频率和振型等，常用于结构设计时避免共振或以特定的频率振动。分析模型的材料采用结构钢，设置杨氏模量、泊松比和密度等材料属性。因为排气系统为装配体，在装配体各配件接触面之间需要定义约束，根据pinball区域的大小采用绑定的方法建立两边面之间的相互关系。边界设置中仅对排气系统与排气歧管相接触部位约束，将橡胶吊钩简化成弹簧，给它一定的刚度[7]。此处的振动模态分析只考虑约束状态下的固体结构分析，并未施加气流载荷作用。指定分析类型后求解，得到了非耦合模态分析前10阶模态频率和振型图，第1～10阶的模态振型如图2所示，前10阶模态频率（Hz）如表1所示。

图2 排气系统振动模态分析振型

由模态分析的各阶振型图可知，排气系统结构壳体发生一定的振动和运动变形，尤其在结构突变处的影响最大，且其振动形式多以摆动变形和扭转变形为主。第1、2、4阶的振型为沿着V或W方向绕固定约束点左右摆动变形的横向弯曲模态，第3、8阶的振型为沿着X方向垂直上下摆动变形的垂向弯曲模态，第6、9阶的振型为沿着W方向扭转变形的扭转弯曲模态，最大变形一般都发生在拐角、排气管道、消声器外壳等截面发生突变的地方，其他各阶的振动变形相对不是很明显。根据结构振动模态分析的固有频率和发动机排气激励的频率计算公式，可以预测排气系统的结构是否存在共振，为排气系统结构性能优化过程中，解决避免共振提供可用的参考价值。

表1 排气系统非耦合模态频率

2.2 排气系统流场仿真分析

先在UG上对结构壳体与整体求差以获得排气系统的流体分析模型，再利用流体分析软件CFX进行排气系统内部流场和温度场分析。经推导计算得到排气系统内部的气流为不可压缩流体，流动为湍流，并采用RNG的湍流模型。根据排气系统结构及流体流动特性，在标准大气压和25℃温度下，壁面边界假设管壁光滑没有滑动，非渗透，即壁面速度为0，消声器壁面热传递系数为1.7×105W/（m2·K），其他设为绝热；进口采用速度边界条件，其入口法向流速为60 m/s，温度为900 K，湍流度设为中等；出口采用压力边界条件，其出口压力设为相对大气压力的参考压力。选SIMPLE算法求解控制方程，结果分析如下。

从排气系统内部压力分布图情况来看，从管道入口到尾管出口内部压力不断下降，在消声器各腔之间压力梯度大，但各个腔内部和管道内压力变化不明显，主要因为气流通过内插管小孔、隔板小孔流到各腔室，其截面突然扩张或收缩，速度变化梯度大，造成各个腔室内部的能量损失，产生压降即背压。进口处压力大约为15 kPa，从入口处到第一腔（含第一腔）平均压降大约为3 kPa，第二腔平均压降大约0.6 kPa，第三腔平均压降大约为0.6 kPa，所以排气系统处的平均压降大约为4.2 kPa。图3为某一时刻排气系统气流流向趋势，在排气管道处流线很有规律不产生涡流，而消声器每个腔内都存在涡流，这与排气系统的结构特性有很大的联系。因为消声器内部直通管被隔板隔着互不相通，第一、二、三腔之间的气流只能通过内插管小孔和隔板小孔流入下一个空腔，因为从小孔喷射的气流流速很大，且各腔内部存在较大面积的低压区，从而产生回流涡流，另外有些气流冲击壁面后也形成涡流再流入下一腔室。

图3 排气系统流线图

速度分布云图如图4所示，消声器入口管内插管小孔和隔板小孔喷射出高速气流，空腔内的低速气流被高速气流吸入而使气流体积变大，速度逐渐变小，而在出气管管口由于截面突然收缩而产生高速气流。小孔喷射的高速气流与腔内的低速气流交界处会形成速度不连续的间断面，产生气流波动而形成漩涡，同时高速气流冲击壁面产生回流和冲击流，从而引起湍流，部分低速气流被吸到小孔射流中，这就是射流卷吸现象[8]。从温度分布图来看，沿着气流方向气流温度在不断降低，排气管道内的温度梯度小，消声器内部从进口到出口温度梯度大，主要因为管道内气流只能通过管壁与外界进行热交换和热辐射，并且幅度很小，而消声器除了通过外壳进行热交换外，其内部结构复杂，气流流动耗散的热量多，温度变化就大。

图4 排气系统速度分布图

2.3 结构静力学分析

静力学分析是在不考虑惯性和阻尼影响，结构载荷作用下部件的位移、应力、应变的结构分析。本节有限元分析模型、材料属性和分析步骤跟前面结构振动模态分析一样，以保持一致的单元基本形状和计算方法。从ANSYS Workbench中打开FSI模块，共享流体分析与结构静力学分析之间的数据，从CFX分析结果中导入排气管道和消声器内插管、隔板和外壳的分析压力都作为载荷施加到排气系统的固体外壳上，将排气系统进口和悬挂处为固定约束定义。研究结果得知，排气管道入口和第三拐角处的静压力较大，最大值可达270MPa左右，但压力梯度小，而在消声器各个腔室之间的压力梯度大，在0.59MPa～52MPa范围之间。

2.4 排气系统流固耦合振动特性分析

本文主要研究气流对排气系统振动特性的影响，通过把排气系统流体分析结果作为振动模态分析载荷加载到排气系统中来实现流场和结构场的耦合。为了确保分析结果的准确性，耦合模态分析模型与静力学分析模型基本保持一致[9，10]，除了考虑排气系统的预应力外，其他条件均不变，如约束条件、材料属性和求解控制等。数值模拟分析得到了施加载荷之后排气系统的振型和频率，其耦合与非耦合的模态频率对比如表2所示。

对比振型分析结果，耦合后的振型与非耦合的振型变化很小，从偏离平衡位置最大位移来看，其中第二阶模态振型变化最大，其差值大约为2mm。耦合的模态频率比非耦合的模态频率呈平缓下降趋势，在低频区（200Hz以下）的幅值变化较大，而高频变化甚微。所以气流对排气系统结构振动和变形有一定的影响，且主要在低频区。这是因为当排气系统壳体发生振动后，将一部分的振动能量传递给流动的流体转换成热能排到大气，有一部分能量在流动过程中相互抵消，在低频区的波长比较大，结构振动比较厉害，所以壳体内部的流体对其影响也比较明显。由此可见，在ANSYS Workbench中进行有限元流固耦合分析对排气系统的优化设计具有指导意义。

表2 排气系统耦合与非耦合模态频率对比

3 结论

根据流固耦合模型的相关理论，建立了排气系统有限元分析模型，研究了排气系统耦合及非耦合的振动特性、压力场、速度场、温度场以及流场分析压力载荷下的静力结构分析等，并同时进行了耦合及非耦合情况下的计算。研究发现消声器内部存在高速气流喷射，局部涡流和射流卷吸现象，并且压力、速度、温度变化梯度比较明显，内部压降大约为4.2kPa。气流对排气系统振动特性有一定的影响，耦合分析的模态频率比非耦合的模态频率呈平缓下降趋势，在低频区的幅值变化较大，而高频变化甚微，耦合的振型与非耦合的振型变化很小。研究结果为气流对排气系统耦合分析研究提供了参考，为排气系统结构改进，设计优化和理论研究奠定了基础。

1曾娜，郭小刚.探讨流固耦合分析方法[J].沈阳工程学院学报（自然科学版），2008（4）：382～386

2B.Sreejith，K.Jayaraj.Finite element analysis of fluidstructure interaction in pipeline systems[J].Nuclear Engineering and Design，2004，227:313～322

3Chang-Myung Lee，Sung-Tae Park.Development of a simple numerical method of the exhaust system to findoptimized design values.SAE Paper 1999-01-1666

4吕海艳.输流管道流固耦合振动的频域分析[D].南京：河海大学，2006

5冯凌寒.冲击式水轮机喷嘴系统流-固耦合计算与分析[D].成都：西华大学，2009

6杨万里，陈燕，邓小龙.乘用车排气系统模态分析数值模型研究[J].三峡大学学报（自然科学版），2005（04）：345～347

7侯献军，刘志恩，颜伏伍，等.汽车排气系统静力学计算及模态分析[J].汽车技术，2010（1）：40～42

8孙晓峰，周盛.气动声学[M].北京：国防工业出版社，1992

9Lu Lihua，Su Hao，Liang Yingchun，et al.Research on static stiffness of hydrostatic bearing using fluid-structure interaction analysis[J].Procedia Engineering,2012，29：1304～1308

10武守飞，王宗槐，王镇.基于流固耦合仿真技术的冰箱压缩机排气系统数值模拟[J].电器，2011（S1）：307～312

Fluid-Structure Coupling Analysis of Automotive Exhaust System

Lu Xiujin,Zhang Kun,Yang Xiujian,Li Jianrong
Transportation Engineering College，Kunming University of Science and Technology（Kunming，Yunnan，650500，China）

The effect of the airflow to the vibration characteristics of exhaust system is studied mainly in the paper.The numerical simulation research of flow field analysis，static analysis and modal analysis for the exhaust system is made based on ANSYS Workbench analysis software.Fluid-structure coupling analysis is completed and a comparison is made for the results between coupled and uncoupled.The study results show that the effect of the vibration and deformation of the exhaust system is in the range of low frequency(below 200 HZ)，compared to the uncoupled，maximum growth rate of coupled modal frequency is about 3.5%，its modal maximum deviation is 2 mm.This provides the basis for further optimization of the structure of exhaust system.

Muffler，Flow field，Exhaust system，Static，Modal analysis，Fluid-structure coupling

U463

A

2095-8234（2014）04-0006-05

2014-06-15）

校人才培养基金（KKZ320130200）资助项目。

陆修进（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为排气消声器动力学及声学特性。