基于流固耦合的水冷排气管结构强度仿真分析.pdf

船 舶 与 海 洋 工 程年 第卷 第期（总 第期）收 稿 日 期：作 者 简 介：金 玉 山，男，高 级 工 程 师，年 生。年 毕 业 于 哈 尔 滨 工 程 大 学 热 能 与 动 力 工 程 专 业，主 要 从 事 船 用 柴 油机 增 压 系 统 研 发 工 作。：基 于 流 固 耦 合 的 水 冷 排 气 管 结 构 强 度 仿 真 分 析金 玉 山，王 先 锋，王 新 权（上 海 船 用 柴 油 机 研 究 所，上 海）摘 要：结 合 特 殊 用 途 柴 油 机 低 热 辐 射 水 冷 排 气 管 的 结 构 设 计，借 助软 件，联 合 仿 真 方 法，对 其 在 额 定 工 况 下的 排 气 流 动 过 程 进 行 瞬 态 分 析，得 到 流 动 分 布 和 表 面 换 热 系 数；同 时，对 冷 却 水 流 动 过 程 和 对 流 共 轭 传 热 进 行 仿 真分 析，得 到 水 冷 排 气 管 的 温 度 场 梯 度 边 界。在 此 基 础 上，分 析 在 热 应 力、重 力、排 气 压 力 和 冷 却 水 压 力 综 合 作 用 下，安 装 在 单 缸 机 缸 盖 上 的 水 冷 排 气 管 的 应 力 和 应 变 的 分 布 情 况。研 究 结 果 可 供 水 冷 排 气 管 的 结 构 优 化 和 可 靠 性 设 计参 考。关 键 词：流 固 耦 合；水 冷 排 气 管；强 度 仿 真中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，）：，：；引言高 速 大 功 率 柴 油 机 因 应 用 范 围 的 特 殊 性 和 使 用 条 件 的 限 制，其 设 计 制 造 的 技 术 难 度 极 大。对 于 特 殊 用途 高 速 艇 而 言，其 在 设 计 方 面 有 一 个 很 重 要 的 要 求，即 隐 身 性，为 降 低 被 发 现 的 概 率，要 尽 可 能 地 减 少 其 排 气噪 声 和 红 外 辐 射；同 时，因 人 员 需 在 密 闭 的 舱 室 内 工 作，对 柴 油 机 的 热 辐 射 有 严 格 的 限 制。柴 油 机 的 热 辐射 主 要 来 自 增 压 系 统（尤 其 是 排 气 管），当 前 传 统 的 带 隔 热 包 覆 的 排 气 管 已 无 法 满 足 对 柴 油 机，尤 其 是 对 大 功率 密 度 柴 油 机 热 辐 射 的 控 制 要 求，需 采 取 其 他 措 施 控 制 排 气 管 的 热 辐 射。本 文 采 用 基 于 水 冷 却 方 式 的 排 气管 结 构 设 计，通 过 仿 真 分 析 验 证 该 水 冷 排 气 管 设 计 的 合 理 性，为 水 冷 排 气 管 的 结 构 优 化 和 可 靠 性 设 计 提 供参 考。水 冷 排 气 管 结 构 设 计 水 冷 技 术 分 析降 低 柴 油 机 排 气 管 表 面 温 度 主 要 有 隔 热 包 覆、采 用层 水 冷 壁 和 采 用层 水 冷 壁 等种 方 式，其 中 隔 热包 覆 是 最 简 单 的 一 种 方 式，但 易 变 形、脆 化，拆 装 之 后 需 更 换，且 不 合 格 的 隔 热 产 品 可 能 含 有 石 棉、汞 等 重 金属 有 害 物 质。采 用 隔 热 包 覆 方 式 之 后 排 气 温 度 仍 很 高，导 致 排 气 管 承 受 较 大 的 热 应 力。水 冷 式 排 气 管 的 原 理 是 通 过 在 原 型 管 路 上 布 置层 水 套 达 到 降 低 表 面 温 度 的 目 的。后 续 演 变 出层 水冷 壁 排 气 管，在 结 构 形 式 和 热 量 管 理 方 面 进 行 了 优 化。增 压 柴 油 机 的 燃 气 从 排 气 管 流 入 增 压 器，推 动 增 压 器做 功，层 水 冷 结 构 可 实 现 表 面 低 热 辐 射，内 管 为 高 温 排 气，外 管 为 低 温 冷 却 水，通 过 铸 铁 排 气 管 直 接 换 热，冷却 水 会 带 走 很 多 排 气 能 量，因 此 当 排 气 到 达 增 压 器 时，推 动 增 压 器 的 效 率 下 降，导 致 柴 油 机 的 效 率 下 降；层水 冷 壁 排 气 管 在层 水 冷 壁 结 构 的 基 础 上 增 加 了 中 间 层，间 隙 层 内 为 气 体，而 气 体 的 换 热 系 数 显 著 低 于 铸 铁排 气 管，减 少 了 排 气 到 冷 却 水 的 散 热，更 多 排 气 能 量 到 达 增 压 器，推 动 增 压 器 叶 轮 旋 转 做 功，使 增 压 器 的 效 率升 高，柴 油 机 的 经 济 性 增 强，但 该 排 气 管 内 的 流 道 结 构 更 为 复 杂，冷 热 变 化 的 工 作 环 境 给 排 气 管 的 结 构 强 度带 来 了 一 定 的 挑 战。公 司 经 过 多 年 的 开 发 验 证，在和特 殊 用 途 柴 油 机 上 采 用 了 水 冷、气隙 隔 热层 排 气 管 的 设 计 方 案，而 我 国 暂 未 开 展 过 此 类 排 气 管 的 设 计 研 究 工 作。上 海 船 用 柴 油 机 研 究 所 结合 高 速 机 的 开 发，对层 水 冷 壁 排 气 管 进 行 了 研 究。单 缸 机 水 冷 排 气 管图水 冷 排 气 管 流 固 热 耦 合 示 意 图 考 虑 到 目 前 尚 未 掌 握 该 水 冷排 气 管 技 术，直 接 设 计 船 用 多 缸柴 油 机 水 冷 排 气 管 的 成 本 和 试 验风 险 较 高，首 先 试 制 单 缸 柴 油 机层 水 冷 排 气 管 试 验 件。本 文 主 要对 该 试 验 件 进 行 仿 真 分 析。水 冷排 气 管 流 固 热 耦 合 示 意 图 见 图。排 气 管 左 端 用 法 兰 盖 闷 住，右 端与 出 口 连 接 管 连 接。内 部 分 为 冷却 水 外 层、中 间 气 隙 层 和 中 央 高温 排 气 层 等层。中 央 高 温 排 气 层 由段 内 衬 管 组 成，采 用 螺 栓 固 定 在 排 气 管 上，中 间 设 计 热 膨 胀 间 隙 为。单 缸 机 缸 盖 与 排 气 管 的 安 装 面 上 设 置 有 排 气 和 冷 却 水 进 口。柴 油 机 排 出 的 高 温 气 体 从 缸 盖 流 入 排气 管，通 过 内 部 通 孔 进 入 内 衬，与 进 入 中 间 气 隙 层 并 从 间 隙 流 出 的 少 量 排 气 汇 合，从 连 接 管 排 出；从 柴 油 机 缸盖 来 的 高 温 淡 水 经 排 气 管 上 的 冷 却 水 进 口 进 入 外 层，冷 却 外 壁 面 并 从 出 口 流 出，降 低 排 气 管 外 表 面 的 温 度，从 而 减 少 外 辐 射。水 冷 排 气 管 采 用个螺 栓 固 定 在 缸 盖 上。考 虑 采 用层 水 冷 壁 结 构 之 后，排 气 管 的质 量 相 比 包 覆 隔 热 方 案 大 幅 增 加，法 兰 盖 和 出 口 管 上 设 置 有 滑 动 支 架，满 足 承 重 需 求。水 冷 排 气 管 流 固 耦 合 建 模 和 边 界 设 置目 前 对 排 气 管 的 研 究 主 要 针 对 的 是 排 气 管 内 部 流 体 的 流 动 计 算。从 水 冷 排 气 管 的 结 构 中 可 看 出，计算 域 包 括 固 体 和 流 体，固 体 与 流 体 在 交 界 面 上 会 产 生 热 对 流 交 换，流 固 耦 合 技 术 即 可 用 于 解 决 该 问 题。通 常 情 况 下，流 体 与 固 体 界 面 上 的 网 格 不 同，彼 此 之 间 依 靠 约 束 方 程 连 接 在 一 起。采 用 网 格 映 射 技 术 允许 求 解 流 体 与 固 体 在 网 格 不 同 情 况 下 的 耦 合 问 题。将 流 体 的 节 点 映 射 到 固 体 网 格 上，同 时 将 固 体 网 格 节 点映 射 到 流 体 上。本 文 在平 台 上 采 用 流 固 热 耦 合 分 析 方 法 完 成 整 个 计 算 任 务。首 先，对 排 气 流道 进 行 瞬 态 计 算，取 排 气 周 期 的 整 数 倍 进 行 时 间 平 均，获 取 与 排 气 管 接 触 的 壁 面 循 环 平 均 表 面 温 度 和 换 热 系数。其 次，将 排 气 热 边 界 映 射 到 冷 却 水 流 道，对 冷 却 水 流 道 和 排 气 管 固 体 结 构 进 行 稳 态 计 算，开 展 共 轭 传 热船 舶 与 海 洋 工 程年 第期分 析。最 后，将 排 气 管 固 体 温 度 边 界、冷 却 水 压 力 边 界 和 排 气 压 力 边 界 映 射 到 结 构 静 力 学 计 算 模 型 中，施 加重 力、支 撑 和 固 定 约 束 进 行 应 力 和 应 变 计 算。流 体 网 格 划 分高 温 排 气 通 过 入 口 进 入 排 气 管 内 部，沿 排 气 管 和 中 间 气 隙 流 动，并 从 出 口 排 出。水 冷 排 气 管 安 装 在 缸 盖上，冷 却 水 出 口 竖 直 向 上，便 于 将 腔 内 气 体 和 冷 却 水 带 入 的 气 体 排 空。取 内 部 排 气 和 冷 却 水 流 体 域 进 行 分析，采 用 划 分 以 六 面 体 为 核 心 的 流 场 网 格，设 置层 流 动 边 界 层，见 图。）排 气 流 体 域 ）冷 却 水 流 体 域图排 气 和 冷 却 水 流 体 域网 格 排 气 和 冷 却 水 边 界单 缸 机 排 气 管 采 用 与 整 机 边 界 近 似 的 排 气 和 冷 却 水 流 动 边 界。排 气 流 体 工 质 采 用 理 想 气 体，湍 流 模 型为中 的 模 型，入 口 采 用 单 缸 机 在 额 定 工 况 下 随 时 间 变 化 的 质 量 流 量 和 温 度 曲 线，出 口 采 用 压力 出 口。排 气 管 内 部 排 气 与 其 壁 面 之 间 存 在 对 流 换 热，壁 面 设 置 为 无 滑 移 壁 面 条 件，热 边 界 设 置 为 对 流 边 界条 件。采 用 液 体 水 作 为 冷 却 流 动 介 质，采 用 质 量 流 量 进 口 和 压 力 出 口。质 量 进 口 流 量 为 ，进 水 温 度为，进 水 压 力 为 。由 于 存 在 流 固 耦 合，流 体 与 固 体 之 间 发 生 热 量 传 递，接 触 面 生 成 的设 置 为，只 传 热 不 传 质。压 力 与 速 度 之 间 的 耦 合 算 法 采 用。结 构 网 格 划 分水 冷 排 气 管 与 缸 盖 采 用 螺 栓 连 接，仿 真 计 算 中 将 螺 栓 连 接 简 化 为 螺 栓 孔 圆 周 绑 定 约 束。单 缸 机水 冷 排 气 管 安 装 示 意 图 见 图。水 冷 排 气 管 装 配 件 为 实 体，采 用 连 续 体 网 格 单 元 进 行 分 析，采 用 四 面 体 单 元格 类 型 进 行 统 一 的 网 格 划 分。水 冷 排 气 管 装 配 件 有 限 元 网 格 模 型 见 图。图单 缸 机 水 冷 排 气 管 安 装 示 意 图 图水 冷 排 气 管 装 配 件 有 限 元 网 格 模 型 排 气 管 材 料 和 边 界 设 置与 冷 却 水 接 触 的 排 气 管 选 用 铸 造 工 艺 良 好 的 材 料，接 触 内 部 高 温 排 气 的 内 衬 管、出 口 连 接 法 兰 和法 兰 盖 选 用 耐 热 铸 铁，弹 性 模 量 设 置 为 。排 气 管 在 工 作 过 程 中 受 到 的 载 荷 有 温 度 载荷、重 力 载 荷、排 气 压 力 和 冷 却 水 压 力。除 了 重 力 载 荷，其 他 载 荷 均 通 过 上 述 计 算 结 果 导 入。为 便 于 计 算，对缸 盖 螺 栓 固 定 约 束 进 行 简 化，将 螺 栓 内 孔 面 定 义 为 圆 柱 面 约 束，将 螺 栓 孔 的 轴 向 自 由 度 定 义 为 自 由 状 态，将与 缸 盖 的 安 装 接 触 面 定 义 为 无 摩 擦 壁 面 约 束 轴 向 位 移。排 气 管 的 法 兰 盖 和 出 口 管 均 采 用 无 滑 移 支 撑。仿 真 计 算 结 果 分 析 排 气 流 动 仿 真 分 析层 水 冷 排 气 管 的 设 计 要 点 是 中 间 的 气 隙 层，重 点 检 查 计 算 结 果 中 气 隙 层 内 流 体 的 流 动 状 态。图为 水金 玉 山，等：基 于 流 固 耦 合 的 水 冷 排 气 管 结 构 强 度 仿 真 分 析冷 排 气 管 内 气 体 流 动 的 速 度 矢 量 图 和 流 动 迹 线。从 图中 可 看 出，排 气 从 歧 管 进 入 排 气 管 之 后，流 速 很 高，在 拐 弯 处 最 高 可 达 。由 于 气 流 在 左 端 被 法 兰 盖 板 挡 住，端 部 区 域 内 的 气 流 很 少，流 速 很 慢，见 图中 的 圆 圈 区 域。气 流 进 入 气 隙 层 内 部 之 后，由 于 气 隙 层 间 隙 很 小，气 流 被 堵 塞，流 速 很 慢，见 图中 的 椭 圆区 域。从 图中 可 看 出，气 隙 层 内 气 流 的 流 速 很 慢，流 量 很 小。该 气 隙 层 内 充 满 气 体 之 后，气 体 流 动 缓 慢，形 成 较 为 恒 定 的 气 隙 层。从 传 热 理 论 的 角 度 分 析，相 比 高 温 排 气 与 冷 却 水 通 过 管 壁 直 接 换 热，气 体 的 传 热 系数 远 小 于 液 体，因 此 气 隙 层 内 排 气 向 外 层 冷 却 水 的 传 热 系 数 大 幅 减 小，可 有 效 降 低 对 外 辐 射 热 量。排 气 管 向外 的 传 热 系 数 减 小，下 游 增 压 器 对 排 气 的 能 量 回 收 增 加，排 气 能 量 的 利 用 率 提 高，柴 油 机 的 经 济 性 增 强。）水 冷 排 气 管 轴 向 截 面 上 的 排 气 流 速 分 布 ）水 冷 排 气 管 内 气 体 流 动 的 速 度 迹 线图水 冷 排 气 管 内 排 气 流 速 分 布 和 速 度 迹 线 仿 真 计 算 中，换 热 系 数 采 用 排 气 周 期 整 数 倍 的 时 间 平 均 值，排 气 管 壁 面 换 热 系 数 见 图，设 置 输 出 换 热 系数 和 坐 标 系 的 脉 谱，可 将 其 作 为 下 一 步 换 热 计 算 的 输 入 条 件。从 图中 可 看 出，歧 管 位 置 和 气 流 旋 转 路 径 上排 气 流 速 较 快 的 区 域，换 热 系 数 也 较 大。冷 却 水 流 动 换 热 仿 真 分 析冷 却 水 进 入 环 形 外 层 水 腔 之 后，在 初 始 速 度 和 重 力 的 作 用 下 会 螺 旋 前 进，到 达 出 口 之 后 流 出。当 设 计 不合 理 时：若 初 始 流 速 过 慢 而 水 腔 过 大，冷 却 水 不 能 旋 转，排 出 困 难，在 内 部 形 成 流 动 死 区，从 而 使 换 热 能 力 下降，产 成 局 部 高 温；若 初 始 流 速 过 快 而 进 出 口 之 间 的 距 离 过 近，冷 却 水 可 能 直 接 从 出 口 排 出，内 部 生 成 较 多 气泡 区 域，形 成 穴 蚀，并 影 响 换 热，产 生 局 部 高 温。图为 冷 却 水 在 排 气 管 内 的 流 动 迹 线，冷 却 水 在 外 层 环 形 腔室 内 充 分 旋 转，最 高 流 速 为 ，最 后 从 冷 却 出 口 流 出。图排 气 管 内 壁 面 传 热 系 数 分 布 云 图 图冷 却 水 在 排 气 管 内 的 流 动 迹 线图水 冷 却 排 气 管（轴 向 剖 视）温 度 云 图 高 温 排 气 对 排 气 管 加 热，液 态 水 使 排 气 管 冷 却，二 者 之 间 进 行 共 轭 传 热。在 设 置 换 热 系 数 时，将 排 气 的循 环 平 均 温 度 和 循 环 平 均 换 热 系 数 映 射 到 模 型 中，液 态 水 的 温 度 和 换 热 系 数 会 根 据 流 动 状 态 自 动 计 算，无 需额 外 设 置。图为 水 冷 却 排 气 管 温 度 云 图。从 排 气 管 温 度 计 算 结 果 中可 看 出，非 水 冷 的 排 气 出 口 管 在 高 温 排 气 加 热 情 况 下 达 到 热 平 衡 温 度 。水 冷 排 气 管 内 部 的段 衬 管 与 排 气 直 接 接 触，温 度 也 达 到。从 内 部 排 气 层 到 中 间 间 隙 层，排 气 管 壁 面 温 度 从 降 到 ，至 水 冷 后 的 外 壁 面 温 度 仅 ，表 明 冷 却 换 热 效果 良 好，小 于 的 设 计 要 求。但 是，由 于 歧 管 下 半 区 域 未 设 计 冷 却水 腔，固 体 温 度 很 高，存 在 较 大 的 温 度 梯 度；法 兰 盖 中 心 温 度 也 较 高，同样 存 在 一 定 的 温 度 梯 度，见 图中 的 椭 圆 区 域。船 舶 与 海 洋 工 程年 第期 结 构 应 力 仿 真 分 析无 论 是 排 气 还 是 冷 却 水，压 力 载 荷 对 材 料 的 应 力 和 应 变 的 影 响 都 很 小，本 文 不 再 展 开 分 析。计 算 采 用 单个 载 荷 同 时 加 载，得 到 包 括 重 力 和 温 度 载 荷 施 加 后 的 最 终 应 力 和 应 变 计 算 结 果 见 图。）应 变 计 算 结 果 ）应 力 计 算 结 果图水 冷 排 气 管 应 变 和 应 力 计 算 结 果 从 应 变 计 算 结 果 中 可 看 出，进 气 歧 管 存 在 较 大 的 温 度 梯 度，具 有 较 大 的 受 热 膨 胀 力，这 是 产 生 应 变 的 主要 作 用 力。由 于 固 定 了 排 气 管 与 缸 盖 安 装 面，排 气 管 在 此 约 束 作 用 下 所 受 的 力，超 过 向 下 的 排 气 管 重 力，产生 向 上 翘 曲 的 趋 势，最 大 应 变 幅 值 为 。同 样 产 生 受 热 膨 胀 作 用 的 还 有段 排 气 内 衬 管，受 热 膨 胀 之后 间 隙 缩 小 。段 内 衬 管 的 设 计 间 隙 需 大 于 热 膨 胀 量、个 零 件 的 加 工 公 差 和 安 装 误 差 之 和（），表 明 的 设 计 间 隙 合 理。由 内 部 冷 却 水 和 排 气 压 力 产 生 的 应 变 很 小，不 再 作 重 点 分 析。选 用 耐 热 铸 铁 件 中 的材 料，其 在 室 温 时 的 最 小 抗 拉 强 度 为，在 时 的 抗 拉 强 度 减 小 为。从 计 算 结 果 中 可 看 出，由 于 采 用 了 水 冷 技 术，降 低 了 排 气 管 表 面 温 度，大 部 分 区 域 的 内 部 应 力 都 很 小，有 利 于 延 长 排 气 管 的 使 用 寿 命。通 过 对 计 算 结 果 进 行 分 析 可 知，高 温 排 气 衬管、法 兰 盖 和 出 口 管 零 件 上 的 最 大 应 力 为 ，出 现 在 法 兰 盖 板 上，这 是 法 兰 盖 中 心 温 度 较 高 而 周 边 温度 较 低，存 在 一 定 的 温 度 梯 度 引 起 的，但 计 算 应 力 均 小 于 材 料 许 用 应 力，较 为 安 全。选 用材 料 的 水 冷 排 气 管 零 件，最 大 应 力 出 现 在 歧 管 法 兰个 螺 栓 附 近，这 主 要 是 因 为 进 气 歧 管 存 在 很 大 的 温 度 梯度，计 算 的 最 大 应 力 为，略 高 于 材 料 许 用 应 力，需 进 一 步 进 行 结 构 优 化。结语本 文 结 合层 水 冷 壁 排 气 管 的 研 制，介 绍 船 用 柴 油 机 上 排 气 管 的 水 冷 技 术，阐 述 单 缸 机 水 冷 排 气 管 的 结构 组 成，着 重 分 析 流 固 热 耦 合 仿 真 计 算 的 过 程 和 结 果，主 要 得 到 以 下 结 论：）在层 水 冷 排 气 管 设 计 中，中 间 可 形 成 相 对 稳 定 的 气 隙 层（见 图）。由 于 气 体 的 传 热 系 数 远 小 于 液体，能 有 效 降 低 对 外 层 冷 却 水 的 散 热，从 而 提 高 增 压 器 对 排 气 的 能 量 利 用，提 高 柴 油 机 的 经 济 性。）设 计 的层 水 冷 排 气 管 的 冷 却 效 果 满 足 低 热 辐 射 要 求，其 外 表 面 温 度 基 本 小 于 的 设 计 要 求，但进 气 歧 管 存 在 局 部 高 温 区 域，需 进 一 步 对 其 进 行 结 构 优 化。）水 冷 技 术 降 低 了 排 气 管 表 面 温 度，大 部 分 区 域 的 计 算 应 力 很 小。存 在 的 薄 弱 区 域 为 歧 管 法 兰，原 因是 该 位 置 存 在 很 大 的 温 度 梯 度，建 议 对 其 进 行 结 构 优 化，增 加 其 壁 厚。【参考文献】犤犦 孟 清 正，徐 国 华，李 国 佩，等军 用 高 速 艇 主 柴 油 机 水 下 排 气 方 式 的 试 验 研 究 船 海 工 程，（）：犤犦 李 超，韩 景 峰，高 进，等排 气 管 断 裂 故 障 的 分 析 及 改 进 内 燃 机 与 动 力 装 置，（）：犤犦 丰 程 岚，闰 伟，傅 松，等汽 车 排 气 管 流 固 耦 合 应 力 计 算 内 燃 机 与 动 力 装 置，（）：犤犦 张 群，竺 汝 彬，韩 业 鹏，等发 动 机 排 气 管 流固热 强 耦 合 分 析 计 算 机 辅 助 工 程，（）：金 玉 山，等：基 于 流 固 耦 合 的 水 冷 排 气 管 结 构 强 度 仿 真 分 析