车辆工程专业——毕业设计初稿.doc

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毕业设计说明书

作 者： xx 学 号： xxxxxx
学 院： xxxxx
系(专业)： 车辆工程
题 目： CBR600发动机排气系统设计分析

指导者：
(姓 名) (专业技术职务)

评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)

2013 年 5 月 21 日
毕业设计（论文）中文摘要

题 目 CBR600发动机排气系统设计分析

摘要： 排气系统主要由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成,不仅影响汽车的燃油经济性和行驶动力性，更是是汽车减排降噪的重要组成部分。近年来越来越多的研究表明排气系统流场也能产生较大的气流噪声,从而影响系统声学性能。而过去对汽车排气系统消声器的研究设计主要是从平面波理论方向来考虑声波传播。近年来随着各种CFD (Computational Fluid Dynamics计算流体动力学)软件的应用与普及,更多的企业采用CFD软件来模拟排气系统流场。但他们大多数会有较大的误差，因为他们排气系统CFD分析采用空气近似发动机排气来计算系统流场,。本文使用模拟所得的发动机排气参数通过Fluent软件仿真计算排气系统三维流场来进行分析,然后进行验证。首先将排气系统结构在UG软件中建立的排气系统流场三维实体模型导入Gambit软件中，划分有限体积离散网格及设置流体边界,在Fluent软件中进行排气系统的CFD分析,得到排气系统的温度、压力、速度的分布图,根据流体力学、传热学来分析排气系统的流场。

关键词： 排气系统； 计算流体动力学； 消声器

毕业设计（论文）外文摘要

Title The analysis and design of CBR600 engine exhaust system

Abstract
The exhaust system is mainly composed of the exhaust manifold, exhaust pipe, catalytic converter, exhaust temperature sensor, automotive muffler and exhaust pipes, not only affect the fuel economy and driving power, also is an important part of automobile emission reduction. In recent years more and more researches show that the flow field of exhaust system can generate airflow noise, thus affecting the system acoustic performance. In the past research on Design of muffler exhaust system is mainly to consider the wave propagation direction from the plane wave theory. In recent years, with all kinds of CFD (Computational Fluid Dynamics computational fluid dynamics) and the popularization of software applications, more and more enterprises using CFD software to simulate the flow field of exhaust system. But most of them will have a greater error, because they exhaust system CFD analysis using approximate engine exhaust air to calculate system flow,. Engine exhaust parameters using simulated through the Fluent software simulation of three-dimensional flow field of the exhaust system to carry on the analysis, and then verify. The exhaust system structure based on UG software, the flow field of exhaust system of three-dimensional entity model into Gambit software, finite volume discrete grids and set the fluid boundary, carries on the analysis of the exhaust system CFD in Fluent software, distribution of temperature, pressure, speed is the exhaust system, according to the flow of exhaust system in fluid mechanics, heat transfer.

Keywords：The exhaust system; computational fluid dynamics; muffler

（空2行）
目 录 （4号黑体，居中）

1 引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同）………… 1
2 ×××××× （正文第2章）…………………………………………………… Y
2.1 ×××××× （正文第2章第1条） ………………………………………… Y
2.2 ×××××× （正文第2章第2条） ………………………………………… Y
2.X ×××××× （正文第2章第X条） ………………………………………… Y
3 ×××××（正文第3章） ……………………………………………… Y
………………………………………（略）
X ×××××（正文第X章）……………………………………………………… Y
结论 …………………………………………………………………………………… Y
参考文献……………………………………………………………………………… Y
致谢………………………………………………………………………………Y
附录A ××××（必要时） ………………………………………………………… Y
附录B ××××（必要时） ………………………………………………………… Y

图1 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y
图2 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y

表1 ×××××（必要时）………………………………………………………… Y
表2 ×××××（必要时）………………………………………………
目录
1 引言 - 1 -
1.3.1国外FSAE发展背景 - 6 -
1.3.2中国FSAE背景 - 7 -
2 发动机排气原理 - 8 -
3.FLUENT计算的流体力学基础 - 9 -
3.1.1 连续介质 - 9 -
3.1.2 流体的粘性 - 9 -
3.1.3 流体的导热性 - 10 -
3.1.4 可压流体与不可压流体 - 10 -
3.1.5 层流流动与湍流流动 - 10 -
3.2.1质量守恒方程 - 10 -
3.2.2 动量守恒方程 - 11 -
3.2.3 能量守恒方程 - 12 -
3.2.5 欧拉方程 - 13 -
4 对排气系统计算分析 - 13 -
4.3.1边界条件的施加及速度分布分析 - 16 -
4.3.2内部压力分布分析 - 19 -
结 论 - 21 -
参 考 文 献 - 22 -
致 谢 - 24 -

1 引言
排气系统主要由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成,不仅影响汽车的燃油经济性和行驶动力性，更是是汽车减排降噪的重要组成部分。
1.1研究方程式赛车排气系统的目的及意义

示意图
汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，一般由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。汽车排气系统是主要是排放发动机工作所排出的废气，同时使排出的废气污染减小，噪音减小。汽车排气系统主要用于轻型车、微型车和客车，摩托车等机动车辆[1]。
排气系统最基本的功能就是引导发动机做功时所产生的废气排出车外，由于排气系统对发动机换气的影响和排气噪声的存在，排气系统在设计的最大目标就是优化排气过程提高发动机的换气效率以及减少排气噪声。
FSAE赛车排气系统与民用车的性能取向有一定的区别，FASE赛车或者说大多数高性能的赛车的排气系统和民用车排气管在性能取向来说是非常不一样的。排气管最基本的作用就是引导发动机废气，隔绝排气高温。民用车为了控制成本，往往使用易于大量生产的工艺和材料制造，而且在设计的时候往往也是为了能够尽量减少成本，没有在排气系统如何优化发动机表现上面多下功夫。而赛车排气管则是相反，由于赛车产量少，追求高性能表现，对成本控制要求低。所以往往用不易于量产的工艺和材料。
而在设计上差别更是巨大，由于可以使用比较费时的工艺，在排气系统的设计上受到的束缚很少，可以做更多有利于发动机性能的设计。而更重要的赛车的设计完全是为了竞速，所以在总布置上面的给排气系统留下足够的空间，这样排气系统就可以使用一些在民用车上做不了的设计。例如利用汽车的震动和惯性让排气系统在排气门附近的压力降低，这样排气更加顺畅，提高发动机的充量系数。从而获得了更大的扭矩和功率。
具体的就是优化设计排气歧管，让排气初段相互独立，互相不干扰，而且排气顺畅，计算好合适的排气歧管初段长度，保证每个汽缸的排气歧管长度等长，最后又让各缸排气歧管相会一处排出废气。
排气系统的另外一个重要的功能就是降低发动机的排气噪声，在这点上赛车虽然降噪的要求比较低，然而FSAE并不是专业的竞速赛事，但考虑到赛事的安全性等，也有一定的噪声要求 【2】 。

1.2、赛事规则的限制【3】
规则中对于赛车的排气系统做了以下要求：
赛车排气系统必须安装消音设备，用以使噪声达到允许程度。
尾气出口设置必须要合理。使赛车以任何速度行驶时车手都不会受到尾气污染。排气口不得处在后轴中心线后60cm之后的位置，距离地面不得高于60cm。
如果排气系统的零部件从车身两侧延到主环以前，那么这些零部件必须有护照遮盖，防止车手或其他人员烫伤。
噪声等级上限为110dB
排气管和车手以及油箱要有一定的距离，即便有隔热设备额存在，如果离得太近也是会让裁判觉得不安全
排气系统要合理的固定在车架上，不能有不牢靠的固定方式
排气系统消声的相关发展与研究
消声器是一种既可以有效降低噪声又能使气流顺利通过的设备。经过声学工作者们几十年的长期研究，消声器的计算方法和结构形式都得到了不断完善和发展。
最早出现的是无源消声器，包括阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器等。其中抗性消声器又发展为扩张式消声器、共振式消声器、无源干涉式消声器以及微穿孔板消声器等。二十世纪五十年代，国际上提出了有源消声器的概念【4】。这种消声器是通过人为的产生一个与声源幅值相同、相位相反的声波来控制声源的发声特性，使噪声源辐射的可听声的声功率降低，从而达到消声的目的。随着现代数字信号处理技术的发展以及电子控制装置性能的提高，有源消声器也得到了进一步的发展。但在我国应用最多的还是无源消声器。
消声器的理论研究最早可追溯到1922年，美国学者stewart 率先使用用声学滤波器理论指导了抗性消声器设计，利用了集中参数近似算法分析消声器元件。这种理论只有在声波远大于消声器尺寸时才成立。五十年代中期，Davis等人采用一维波动方程，利用截面突变处体积振动速度和声压的连续性，计算了单级和多级膨胀腔和侧支共振腔【6】。五十年代后期，Igarashi等人利用等效电路方法计算了消声器的传递矩阵。根据电路中的四端网络原理，每个消声器单元的声传递特性用四极参数矩阵来表示，消声器的传递特性用每个消声器单元的四极参数矩阵的乘积来确定。这种以四极参数为基础的传递矩阵法在不考虑流速和温度梯度的平面波范围内计算结果比较准确【7】。在Igarashi和 Davis 的基础上，经过大量声学工作作者的努力研究，在用传递矩阵法计算消声器的插入损失和用声传播法计算消声器的传递损失方面，有了比较成熟的计算公式。其中传递矩阵法相对于声传播法有简单方便、实用性强的特点，从而得到了广泛应用。但这些公式成立的前提条件是：没有流速和温度梯度的影响；气体按平面波形式传播；忽略介质粘性和介质能量耗散；消声器壁面无振动，不透射声能。由于这些假设与实际情况有较大的出入，导致理论分析结果和实际测量结果之间有较大的差距。因而这些理论只能用于消声系统设计方案的比较，距对排气消声器的实际应用要求还有不小差距。
Alfredson 等人通过将膨胀腔消声器的消声量测量值和理论值比较，发现考虑流动时理论值与实测值一致，忽略流动时两者差别较大。Sreenath和Munjal 的研究认为忽略温度梯度的变化也将会导致预测与实测的差异[8]。可见对消声器消声特性的研究必须要考虑到温度和流速梯度的影响。
针对气流对消声器性能的影响，各国学者导出了存在气流时的声传递矩阵，这就是线性声学的声波分析法。这些传递矩阵的建立依赖于以下五个假设：1、线性化假设。2、无损耗假设。3、均匀流动假设。4、均匀参数假设。5、平面波假设。考虑排气系统温度变化时，则可以使用一系列定常温度单元和线性温度梯度单元来模拟温度变化[9]。
以上都是基于一维平面波理论对消声器内部的声场作近似理论分析。当声波波长远大于管道截面几何尺寸且噪声频率不太高的情况下，平面波假设和实际情况比较一致。但随着消声量要求的增加，消声器的结构形式将比较复杂，截面的几何尺寸一般都不会远小于声波的波长，这时在扩张腔内出现了高次模式波，采用平面波与线性化假设会产生较大的偏差，特别是当声波频率较高，波长相应较短时，这种偏差更明显。所以应该寻求更加接近真实情况的二维或三维分析方法。
各种数值方法的发展及计算机技术的应用与普及，为合理的预测复杂消声器声学性能并且从理论上指导消声器设计提供了可能。有限元法和边界元法是消声器声学性能分析中比较常用的数值方法。
有限元法在1975 年首先由Young 和Crocker 应用在分析消声器元件的传递损失中[10]，之后经过众学者的完善，被广泛应用在结构和边界条件更复杂的消声器设计中。有限元法设计消声器的优点是可进行二维或三维的计算，较传统的消声器传声特性的分析方法——声电类比法和特征线法，有限元法可直接求解消声器内部的波动过程，能够充分考虑壁面振动、介质、流速和温度梯度等参数的影响。许多研究表明[11] [12]，有限元法能比较准确的模拟任意复杂形状消声器的消声特性，并使得高次模式波的分析成为可能。在合理的选取边界条件的情况下，提高了分析精度。
边界元法是二十世纪七十年代末发展起来的一门新数值方法，它与有限元法这类区域型方法相比较，只需离散区域边界而不必对内部区域进行具体划分，相当于仅在区域的外表面上取有限单元。减少了划分模型单元的工作量和求解方程的个数。边界元法特别适合于求解无限域问题，能方便的计算管口的声辐射特性。但当分析消声器内部声场特性时，根据日本秋田大学的T.TSUJI [13]等在用有限元和边界元法对声波在一简单扩张腔内传播特性的研究发现，在声波按平面波传播的频率范围内，用有限元法计算出的结果与解析法计算的结果比较的吻合，用边界元法计算出的结果误差较大，且膨胀比越大，误差越明显。可见分析消声器内部声场特性的时候，边界元没有有限元精确，而且考虑到流速和温度梯度的影响也比较困难。
在消声器的声学数值计算方法发展的同时，计算流体力学(简称CFD)在消声器内的流场分析中也得到了越来越多的应用[14] [15]。它可以比较准确的分析消声器内的流速、温度和声压的分布情况。将流场分析与声场分析结合可以同时得到消声器的声学特性和空气动力特性，是个取长补短的好方法。自九十年代以来，随着高速、大容量、小体积工作站的出现，各种在工作站上使用的软件系统也纷纷出现在市场。在声学分析方面,比利时的LMS公司开发的SYSNOISE软件和 美国ANSYS[16]公司开发的有限单元分析软件等都是目前国内外市场上应用比较好的有限元噪声分析软件。其中SYSNOISE[17]软件包括有限元、无限元、直接边界元和间接边界元等等多种分析方法，且这些方法之间还可以相互耦合。能够对各种噪声情况进行准确的分析。但是SYSNOISE 没有前处理功能，它必须借助ANSYS 等其他软件完成建模工作。在流体方面，随着计算流体力学（CFD）的迅速发展，也出现了许多CFD 通用软件包。常用的有美国Los Alamos国家实验室的研究者开发出来的KIVA 系列程序、FLUENT,SRAR—CD,FIRE 以及Computational Fluid Dynamics Services, AEA Technology 推出的CFX 等等[18]。它们的差异表现在各种描述燃烧与流动的物理化学过程模型的各种有机组合以及采用不同的数值计算方法上。其中CFX[19]采用的是有限体积法，采用了多块网格划分技术，另外它还有五种湍流模型可供选择：低雷诺数k −ε 模型、标准k −ε 模型、雷诺应力微分方程模型、代数应力模型和雷诺流动微分方程模型。因此采用CFX 可以进行多相流动、气体燃烧，混合热传输、多孔介质渗流以及可压、不可压、定常、非定常等许多工程实际问题的模拟，而且它具有良好的图形化界面，使用非常直观方便。
消声器在国内的研究也经历了由早期实验方法到一维平面波理论的辅助分析以及现在的三维数值模拟分析，单纯从考虑声学特性到考虑流速温度的影响等过程。1994 年江苏理工大学的蔡超用有限元方法计算了轴对称抗性消声器的传递损失，通过实验验证和声传递矩阵计算结果比对发现有限元具有较高的精度[20]。1998 年大连理工大学的季振林使用传递矩阵和边界元法计算了整个排气消声系统的四极参数，使用双负载法与特征线法确定发动机的声源阻抗和强度，实现内燃机排气噪声与消声器插入损失预测，并与实测结果吻合良好[21]。1999 年华中理工大学的黄其柏[22]等研究了考虑非均匀流场的刚性直管声场传递矩阵，通过将刚性直管沿轴向分成多个微段，并且假定每个微段内温度、气流马赫数和声速保持不变的情况下，利用各微段间声压和体积速度的连续性推导出了声场传递矩阵。2003年吉林大学的丁万龙[23]等用边界元方法对某摩托车排气消声器进行了数值仿真分析，在实验验证的基础上运用仿真结果提出了切实可行的方案。同年江苏大学的陆森林[24]用三维有限元法计算出消声器的四端子参数，然后利用所求得的参数预估了消声器的性能，并且对扩张式上限频率和扩张式长度对消声器性能的影响进行了讨论，对消声器设计有一定的参考价值。2003 年山东大学的李国祥[25]利用k −ε 双方程模型对一典型结构消声器的内部流场及温度场进行了数值模拟研究，并且就消声器内部气流速度、温度变化对消声性能的影响进行了分析。
综上，在消声器声学特性与空气动力特性预测分析方面前人已作了大量的工作，形成了很多好的理论和方法供我们借鉴与参考。国外很多著名的汽车公司和研究部门在利用大量数值计算和有限的试验相结合来设计消声器方面已经做了大量的研究并体系化。但我们国家在这方面起步晚，经验少，要缩短我国消声器设计水平与国外的差距，在提高消声器试验技术和试验设备，完善数值模拟方法方面我们都有待发展。
1.3、方程式赛车国内外发展状
1.3.1国外FSAE发展背景
Formula SAE是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或者研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年之内制造出一辆在加速、刹车、操控性等方面有优异的表现并且有足够稳定耐久性，能够成功完成规则中列举的所有项目的业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE赛事已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成的，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。
SAE方程式（Formula SAE）系列赛起源于1978年。第一次比赛于1979年在美国的波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是要求参赛者制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计和制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为了给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车的设计方面限制将会很少。赛前车队通常有8至12个月的时间设计、建造、测试和准备赛车。在与来自世界各个地方的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。
为了达到比赛的目的，学生可以把自己假想为设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余的汽车比赛。因此，该赛车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该赛车必须易于维修、成本低廉、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车既需要美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车, 并且要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。各设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计环节将作为竞赛比较和评判的内容。
1.3.2中国FSAE背景
中国的FSAE项目起步比较晚，目前国内有湖南大学、上海交通大学、同济大学、厦门理工已拥有车队和车辆，吉林大学、北京理工大学、清华大学和天津大学等拟筹建。。同济大学与厦门理工于2008年完成赛车的试制，同济大学已报名参加2009年的比赛。
Formula SAE 赛事是一项极具考验学生是否有持之以恒精神的赛事。它考验每名队员的耐力，在每一个阶段都会出现各种各样的问题，而解决这问题需要细心、耐心、不厌其烦的一遍一遍的摸索。在有限的条件下，任何一处的结构设计都很难一次性完成，强度不够，运动干涉等都是常会遇到的问题，这些问题的解决也需要花费很大的心思和精力。由于Formula SAE赛事是一个边学边做，边做边学习的过程。总是在失败中慢慢的成功。
中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事，这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，评比的是学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案，以及把赛车制造成产品的过程。这不是一场竞速比赛或节油比赛，而是汽车人才综合素质的比拼，这项赛事通过全方位考核提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调五方面的综合能力，从而全面地提升综合素质。未来支撑中国汽车产业的脊梁必将在这些学生中产生，这也是赛事最大的意义所在，举办中国FSAE 大赛的目的，就是为中国汽车产业的发展做长期的人才积蓄。通过FSAE 大赛学到很多书本上学不到的东西，并可以将知识转化为专业技能，同时还能锻炼.学生的团队合作能力和责任感。大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。
1.4、课题的主要任务
针对我校在大学生中举行方程式赛车的情况，本次毕业设计主要进行方程式赛车排气系统设计任务，根据方程式赛车的设计要求进行，按照汽车排气系统结构开展赛车排气管与消声器的设计工作。
赛车设计参数：发动机型式：CBR600；
轴距≥1525mm；
轮辋直径14英寸；
胎面宽度:195
制动器型式：盘式；
结构：摩托车制动器；
毕业设计内容：确定赛车排气管、消声器结构型式，完成排气系统在赛车上的布置，完成赛车消声器、排气管结构图纸，完成消声器排气管与车架连接件件图纸，完成消声器的计算分析。
这次毕业设计主要进行方程式赛车排气系统的分析与设计，倾向采用FLUENT流体动力学分析软件对消声器的内部流场特性进行了分析,得到了消声器内部的流体速度及压力分布。

2 发动机排气原理
排气管的作用就是把废气从引擎燃烧室排出，其实通常人们都认为排气越畅顺越好，其实非也。引擎的排气由于发动机的工作原理，排气的气浪是一波一波地排出的，大家把手放在排气管后就可以感觉到。如果排气管的直径较小，那么排出气浪的每一波都会在排气管内部形式较大的压力，当这一波气浪在排气管中开始向外排放时，对后一波气浪就会形成一个负压力，也就是大家所说的回压。
这个回压的大小决定了引擎的最佳排气领域，如果回压越大，引擎在低转速的气浪由于受前一波气浪的影响，就会越快被前一波气浪的负压力吸出，也就是说排气效果越好，但是当引擎到达高转数时，由于排气管的直径较小，造成的就是排气管内的压力不但不能尽快吸出下一波气浪，反而对每一波浪的排出造成了相当的阻力，而且每一波气浪之间互相影响，造成排气不畅顺，从而降低了引擎的性能，这个时候，选用直径较大的排气管就会起到较好的效果。

3.FLUENT计算的流体力学基础
3.1 流体力学的基本概念
流体力学是力学的一个分支，它主要研究流体本身的静止状态、运动状态以及流体和固体界壁间相对运动时的相互作用和流动的规律。与固体力学一样，流体力学的研究也有长远的发展历史，其中最具有代表意义的事件包括：18世纪中叶，欧拉采用连续介质的概念把静流体中压力的概念推广到运动流体中，建立了欧拉方程，成为流体力学主要创始人；1845年，斯托克斯推导出粘性流体的一组基本运动方程，即目前广泛采用的纳维-斯托克斯方程，简称N-S方程。N-S方程是流体力学的理论基础，欧拉方程正是N-S方程在粘度为零时的特例。
3.1.1 连续介质
1753年，欧拉提出连续介质模型，即采用“连续介质”作为宏观流体模型，将流体看做为无限多流体质点组成的稠密而无间隙的连续介质。
3.1.2 流体的粘性
流体的粘性是指在做相对运动的两流体层的接触面或流体与固体的接触面上，存在一对等值且反向的力阻碍流体运动的现象。其产生原因是由于存在分子不规则运动的动量交换和分子间的吸引力。由粘性产生的作用力即粘性阻力，又称内摩擦力。
3.1.3 流体的导热性
流体的导热性是指当流体内部或流体与其他介质之间存在温度差时，温度较高区域与温度较低区域之间存在热量传递现象。
热量传递有导热、对流和热辐射三种方式。流体流过壁面时，紧贴壁面的位置会形成层流底层，流体在该处流速很低，几乎可看做为零，故此处流体与壁面进行的是导热过程；层流之外的区域热传递方式主要是对流传热过程。
3.1.4 可压流体与不可压流体
根据密度ρ是否为常数，可将流体分为可压流体与不可压流体两大类。当密度ρ为常数时，流体为不可压流体。一般地，水为不可压流体，空气为可压流体。有些可压流体在特定的流动条件下，可按不可压流体处理。
3.1.5 层流流动与湍流流动
对于管内流动，科学家根据大量实验数据与相似理论得出，流动状态是由综合反映管道尺寸、流体物理属性、流动速度的组合量—雷诺数Re决定的。雷诺数的定义为：Re=ρud/μ
式中ρ——流体密度
u——平均流速
d——管道直径
μ——动力黏性系数
区分层流流动与湍流流动涉及临界雷诺数的概念。其中，由层流转变为湍流时对应的雷诺数称为上临界雷诺数，；由湍流转变为层流时对应的雷诺数称为下临界雷诺数。通过比较实际流动的雷诺数Re与两个临界雷诺数，即可确定黏性流体的流动状态。
3.2流体动力学控制方程
对于所有的流动，FLUENT都是解质量和动量守恒方程。对于包括热传导或可压性
的流动，需要解能量守恒的附加方程。对于包括组分混合和反应的流动，需要解组分守恒方程或者使用PDF模型来解混合分数的守恒方程以及其方差。当流动是湍流时，还要解附加的输运方程。
3.2.1质量守恒方程
质量守恒或者连续性方程可以写成:

该方程是质量守恒方程的一般形式，适用于不可压流和可压流。源项Sm是从散布的二级相加入到连续相中的质量(如:液滴的蒸发)以及自定义的源项。
对于二维轴对称问题，连续性方程由下式给出:

其中x是轴坐标，r是径坐标，u是轴向速度，v是径向速度。
3.2.2 动量守恒方程
动量守恒方程为:

其中P是静压，塔，和月分别是1向的重力体积力和外部体积力(如离散相之间的相
互作用而产生的力)。F还包括其它的模型相关源项，比如多孔介质或者自定义源项。
对于二维轴对称几何图形，轴向和径向动量守恒方程分别为:

以及

其中

3.2.3 能量守恒方程

3.2.4 奈维一斯托克斯方程

根据连续性方程，对不可压缩流体

代入，得

写成矢量式为

即不可压缩流体的N-S方程。
3.2.5 欧拉方程
无粘流动分析不考虑粘性影响，而且很适合于处理高雷诺数应用问题中惯性力由区域粘性力主导的情况。高速导弹气动分析就是较为合适的无粘流动的例子。像这样的例子物体上压力远远大于粘性力。因此，无粘流动分析可以很快的给出作用于物体上的力的初步估计。对于无粘流，FLUENT解欧拉方程。质量守恒方程和层流流动的一样，但是动量方程和能量方程因为忽略了分子扩散项而得到化简。

4 对排气系统计算分析
4.1建立UG三维立体模型
根据FSAE规则对发动机进气系统要求，该排气系统设计有排气歧管，排气总管，消声器。排气总管和排气歧管的内外径分别为42.4mm和52.4mm。由于不使用原发动机自带排气系统，故该进气系统都设计有与CBR600原排气口连接的接头。
进气歧管UG模型

4.2排气系统流场计算模型的建立
建立排气消声系统的三维几何模型，并根据流场计算特点在几何模型的基础上建立不同的流场计算模型。
排气系统应该具有良好的空气动力特性，即压力损失应尽可能低，气流分布均匀一致。基于计算流体力学上对排气系统进行流场分析，得到压力分布和内部流速，不仅可以判定流速对消声性能的影响，还可以定量得到压力损失的大小，为评价排气系统空气动力特性提供了依据。
4.2.1流场计算模型的建立
从汽缸排出的大量废气首先由排气歧管流到排气总管，经三元催化器消除有害气体后通过连接长管流入前消声器，前消声器膨胀腔里的气体最后都要经过几截连接长管流进后消声器进气缓冲管。因为后消声器的进气缓冲管经过第一腔和第二腔，与第三腔相通，而与第一、二腔不通。所以气体经过时，将直接进入第三腔，随后通过第二、三腔之间壁面上的圆孔流入消声器的第二腔，然后气体经由第一、二腔之间的通孔流到第一腔，再从第一腔里的排气管口排出去。二腔是一个典型的扩张腔，加上第一、三腔的共同作用形成了一个复合式消声器。结构及内部流动示意图如图所示。

消声器的结构及内部流动示意图

根据排气系统的二维图纸以及数值计算需要，利用FLUENT的前处理软件GAMBIT
在平台下建立了系统的半个对称的三维几何模型，如图所示。
本章只重点研究排气系统中气体的声场和流场特性，并不考虑管壁的结构振动特
性，所以建模时忽略了管壁和隔板的厚度。这样既减小了单元规模，同时又不至于过大影响计算精度，因为消声器壁面一般较薄。

消声器的有限元模型

流场计算选用了FLUENT软件，该软件可以模拟包括流体流动、传热以及一些附
加的物理化学反应。它采用的离散方法是基于有限容积法。图(a), (b)是在GAMBIT
中离散的有限元网格模型，在建模上采用了零厚度板的建模方式，它在建模上的好处就是可以用面单元来模拟隔板和管壁，然后将这些面单元赋予壁面(WALL)属性。这样既减少了建模难度又减少了单元数量，同时有利于提高网格质量。
4.3排气消声器流动特性分析
因为气体的流速对消声器的消声性能都有影响，所以在计算消声器的声学特性前先对它进行流场的分析。
4.3.1边界条件的施加及速度分布分析
计算模型如图所示，计算所用流体选用常温常压下的空气来代替排出的废气。管壁(wall)为光滑、非渗透性的，管壁没有滑移(没有运动，没有壁面速度)，即流体在壁面边界上的速度设为0，壁面都设为绝热壁。由厂方提供的数据，当发动机转速为350帅m时，消声器入口处硫酸为SOm/s左右，出口处绝对压力为1O1000Pa，所以计算中施加相对大气压的参考压力OPa。对于消声器性能影响最大的两个因素便是流体速度和内部压力分布，所以计算结果里就包括了消声器的速度和压力分布。

消声器截面速度等高线分布图

速度矢量整体分布图

速度矢量局部放大分布图
整个排气系统的速度云图分布如图所示。最大速度和最小速度都现在消声器内部。入射管在直管部分速度基本保持保持在一个均匀速度。虽然入流管己经进入消声器内部，但与腔体完全隔离，因此，速度与前面相连管路的速度相差不会太大，从图中可以看出，入射管内部基本维持在SOm/s的速度水平。同时，可以看到，气流比较平稳。在气流进入第三腔后，由于空间猛然变大可以发现速度明显有所下降，速度低处已经降到l Om/s以下。
第三腔出口之前速度有所增加，从入流管进来直接通过通孔要进入第二腔的流体以及在第三腔经过了一定的流动被反射回来的流体在这里汇合进入第二腔，致使此处速度有所上升，从图的速度矢量图可以看到，在第三腔里，气体产生了一定的涡流。
在气流进入到第二腔之后，在局部产生了速度的急剧增加，出现了一个速度峰值，
最大速度处可达90m/s。观察到，气流形成了类似喇叭的流动形状，估计是由于此处