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瞬态流固耦合作用下天然气发.内燃机排气歧管结构优化设计_杨汉乾.pdf
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1、天然气发动机用于发电用途后,工作时间长,排气温度高。车用柴油机改制成燃气发电内燃机后,为了进一步改善燃油经济性和提高排气歧管的可靠性,通过一、三维仿真建模对排气歧管结构进行优化。研究认为原机排气歧管为了兼顾低转速的性能,管径设计较小,在 时排气背压较大,不适宜应用在改制后的燃气发电内燃机。本研究经过一维数值计算,通过优化管径可以降低线工况下的燃气消耗,并且提高了工作功率。其次通过逆向建模方法和 模块建立流固耦合瞬态仿真模型,耦合计算了 个工作循环中的 个时间点,并且提出了 种排气歧管的结构优化方法,进行了排温瞬变过程中的热负荷分析和对比。结果表明增加加强筋结构的方案在节省材料的基础上可进一步减
2、少热变形量,有利于提高排气歧管的寿命,满足燃气发电内燃机的设计要求。建模和优化方法可为燃气发电内燃机排气管的设计提供参考。关键词:天然气发动机;排气歧管;流固耦合;结构优化;热负荷分析中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言当前绿色发展和低碳发展是社会发展的主要方式,清洁高效低碳的用能是绿色和低碳发展的主要体现。随着我国用电量的增加,清洁低碳发电和用电安全受到一定的挑战。燃气发电内燃机具有成本低、启停方便、结构紧凑和发电效率高等特点,可用作分布式能源供电、生物质沼气发电和备用电源等诸多领域 。近年来,国内众多企业和科研院所越来越重视开发高效、清洁、可靠耐用的燃气发电内燃机 。为了降低研发成本
3、,中小型燃气发电内燃机可通过车用柴油机改制而成。然而,车用柴油机的使用工况以及可靠性考核标准与燃气发电内燃机存在较大差别。排气歧管作为影响整机性能和可靠性的重要部件,在改制过程中是重点优化部件。燃气发电内燃机全负荷工作的持续时间长,排气歧管是其主要受热部件,要求热变形量小,温度分布更均匀,同时还要具有更低的排气损失。这对开发高热效率和高可靠性的燃气发电内燃机带来了一定的挑战。针对排气歧管结构强度的问题,袁泉等 针对某 缸重型柴油机排气歧管热机疲劳建立了排气歧管仿真模型,解释了裂纹的萌生位置及裂纹扩展方向。等 采用 和 数值模拟的串行耦合方法建立了非稳态耦合传热模型,预测了发动机排气歧管的热疲劳
4、寿命。石勇等 应用 -软件和 软件对某汽油机排气歧管进行流固耦合仿真,发现塑性应变高的区域正是发生开裂的区域。骆旭薇等 针对 缸增压柴油机排气歧管在台架耐久试验中出现的开裂现象,应用有限元耦合方法进行了热应力分析。张越 研究了波动管的若干关键测点位置的热变形量,开展了热疲劳评估,认为热变形量与疲劳密切相关。目前还鲜有研究针对燃气发电内燃机排气歧管进行一、三维结构优化和流固耦合瞬态热分析 。针对一款由 车用柴油机改制成燃气发电内燃机的排气歧管开展了研究。原柴油机排气管在设计时要兼顾多个转速的换气性能,而发电内燃机运行的是线工况。为了提高排气歧管在固定转速的换气性能和可靠性,以整机最低气耗和歧管最
5、小热变形量为优化目标,运用一维性能仿真软件和三维流固耦合仿真软件进行仿真建模,对其主要结构尺寸进行了综合仿真优化。分析结果可为工程开发提供参考和指导,研究方法可为燃气发电内燃机排气歧管的结构优化设计提供借鉴。排气歧管优化及瞬态流固耦合仿真建模 一维性能仿真建模及校准运用 -软件建立并校准燃气发电内燃机的一维性能仿真模型。燃气发电内燃机的主要技术参数如表 所示,一维性能仿真模型如图 所示。表 内燃机主要参数参数名称参数值型式直列、水冷、增压中冷、四冲程缸径 冲程 排量 压缩比 最低气耗()常用功率 常用转速()备用功率 备用转速()发火顺序-图 一维性能仿真模型杨汉乾,等:瞬态流固耦合作用下天然
6、气发电内燃机排气歧管结构优化设计为了验证一维性能仿真模型的准确性,先将改制后的燃气内燃机进行台架初步标定,再根据标定结果校准一维仿真模型。标定工况点为 全负荷工况,仿真与实验结果如图 所示。从图中可知,仿真与实验误差在 以内,说明该仿真模型能真实反映燃气发电内燃机的工作过程。图 一维仿真模型校准结果 三维流固耦合瞬态仿真模型通过逆向工程获得原排气歧管结构的三维模型,再运用三维结构建模软件 修改,建立不同结构尺寸的模型。针对三维 模型,运用 仿真平台分别建立排气歧管流体域网格模型和固体域网格模型。流体域三维仿真网格模型如图 所示,该模型采用四面体网格单元,网格单元的基本尺寸为 ,网格节点数量为
7、,网格单元数量为 ,网格平均质量为 。排气歧管内流场三维 仿真分析控制方程采用可压缩 -方程,湍流模型采用 -模型,求解算法采用 ,壁面区采用标准壁面函数。图 排气歧管流体域网格为了提高热变形分析的准确性,从一维仿真模型中获取排气歧管所需的瞬态边界条件,采用 用户自定义函数 输入排气歧管瞬态热边界条件,耦合计算覆盖 个工作循环。内流场计算时采用进口为质量流量,出口为压力的边界控制条件。图 和 分别为 个工作循环下进口质量流量和温度随曲轴转角的变化关系,图 和 则为出口静压和温度的变化关系。图 各缸歧管进口质量流量图 各缸歧管进口温度图 歧管出口静压图 歧管出口温度固体域三维仿真网格模型如图 所
8、示,从右到左依次为前排气歧管和后排气歧管。采用四面体网格单元,网格单元的基本尺寸为 ,固体域网格节点数量为 ,网格单元数量为 ,网格平均质量为 。该排气歧管材料为铸铁,材料特性如表 所示。固体域模型外壁面环 境 温 度 设 置 为 ,换 热 系 数 为 (),采用第三类热边界条件。图 排气歧管固体域网格表 材料特性参数数值弹性模量()泊松比 导热系数()线性膨胀系数()密度()流固耦合 个工作循环采用完全相同的边界条件。通过三维内流场计算求得排气歧管在各时间点的内壁面温度和换热系数。然后在 -中将流体域的热边界条件映射到固体域中,并设置好外壁面热边界条件,求得排气歧管温度场,再在 中设置好模型
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