睢利铭，刘 庆

(河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000)

基于STAR－CCM+的防爆柴油机水冷式排气管数值模拟分析*

睢利铭，刘 庆

(河南机电高等专科学校汽车工程系，河南新乡453000)

防爆柴油机水冷式排气管是其排气装置的重要组成部分，是高温废气在排气系统各部件间流动时温度达标的重要保证。文章利用STAR－CCM+软件对两种水冷式排气管进行了网格划分和物理模型设定，通过数值模拟分析，结果表明:新结构的水冷式排气管温度分布均匀，没有出现过热区域，并且换热性能更好。

防爆柴油机;水冷式排气管;STAR－CCM+

1 概述

在现代化矿井的辅助运输中，大量采用的是以防爆柴油机为动力的车辆。所谓防爆柴油机，是指在有爆炸性气体、可燃性气体、蒸汽及粉尘环境中作业时不会点燃环境气体、蒸汽和粉尘，且排放符合特殊环境规定的标准的柴油机［1］。我国制定的煤炭行业标准《MT 990－2006矿用防爆柴油机通用技术条件》对防爆柴油机所需达到的技术水平做出了十分具体的要求，其中最主要的规定有:防爆柴油机任一部位表面温度不得超过150℃;柴油机最终排气温度不得超过70℃;任何通气部位不得有明火喷出。由于防爆柴油机特殊的使用环境，必须对各高温部分进行控制，并保证高可靠性，以免发生事故［2］。

柴油机进行防爆处理后如何提高其动力性、经济性是研究的难点，其中，防爆柴油机排气系统是研究重点。随着计算机软件技术的迅猛发展及其在工程中的广泛应用，发动机排气系统性能仿真技术也得到了快速发展并日渐成熟，STAR－CCM+软件就是其中较优秀的软件之一，本文利用STAR－CCM+软件完成了某防爆柴油机排气管的性能仿真分析工作。

2 STAR－CCM+软件简介

STAR－CCM+是CD－adapco公司采用最先进的连续介质力学数值技术开发的新一代高端CFD软件，拥有出色的性能、精度和高可靠性。该软件一体化的用户界面可以显示全部的模拟过程，从参数化CAD建模、表面准备、体网格生成的网格划分，到模型设定、计算求解及后处理分析的整个流程都能在同一个界面环境中完成［3］。

STAR－CCM+采用树状结构，自上而下的过程，模拟流程的基本步骤是:

建立几何模型→划分网格→设置物性参数和边界条件→求解运算→结果后处理分析

3 排气管的结构设计

双层水冷式排气管在防爆柴油机排气系统中是重要的连接管道。图1给出了防爆柴油机干式和湿式排气系统的装置。可见，双层水冷式排气管的作用是将废气安全地输送到废气换热器或冷却净化水箱中，同时在废气输送过程中对废气进行冷却降温，保证柴油机工作过程中排气管的外表面任一部位的温度不超过150℃。

水冷式排气管分为内管和外管，内管中流动的是柴油机排出的废气，内管和外管之间的封闭腔中流动的是冷却水。工作时，冷却水通过设置在外管壁上的入口进入封闭腔中，通过内管管壁的热传递对废气进行冷却。排气管在设计中应注意不要有太急的转弯，如需转弯应使用较大的圆弧过渡，使气流尽量顺畅以减小排气阻力。当管道通路结构较复杂时，可使用多段管道分段连接的方式，以降低制造难度。各段管道连接的接合面以及管道与排气系统其他部件连接的接合面都设计为隔爆接合面，其连接结构如图2所示。

图1 防爆柴油机排气装置

图2 多段水冷式排气管组合示意图

目前，普遍使用的水冷式排气管结构采用双层管结构，没有其他增加换热能力的结构，如图3。在这种结构的基础上，想要提升换热能力，可以考虑一些方案，比如:将除排气管两端外的中间部分内外管径增大，可以减小废气在其中的流速，使换热充分;内管外壁增加散热片，增大内管外壁与冷却水的接触面积。前一种方法增大了排气管的体积，安装布置造成困难;后一种方法由于废气流速很大(通常超过100m/s)，散热片可能造成冷却水的流动死区，提升的换热能力不明显。对此，考虑采用一种新的方案，其结构如图4。

图3 普通水冷式排气管

图4 新式水冷式排气管横截面

4 数值模拟模型的建立及预处理

4.1 三维模型的建立

合理建立研究对象的三维几何模型是整个有限体积分析过程的基础和关键，模型合理与否直接关系到计算结果的精度、计算时间的长短、存储容量的大小以及计算过程能否完成。

因此，建模时，可以忽略构件的小孔、小凸台、倒角等小特征和对结构分析影响不大的附加通道、材料，隔爆接合结构也可以进行简化。

本文主要对普通水冷式排气管(方案一)和新结构的水冷式排气管(方案二)性能进行分析对比，因此模型进行了简化，均设为简单直管，设定两种排气管都是总长1m的直管，包括废气和冷却水的进、出口，除了内管的结构不同，其他部分的尺寸、结构都相同。通常，排气管连接在涡轮增压器之后，其连接部分的尺寸就与增压器上的相同，法兰、螺栓孔、废气通道都要相同，进而来确定排气管的基本尺寸，值得注意的是要留有六角螺栓扳手的安装空间。对于新结构的水冷式排气管，设定六个凸起间隔为60°且均匀分布，每个凸起和凹进部分圆周上各占30°，同时，冷却水的进、出口不能正对这部分结构，所以凹凸截面边缘距废气进、出口面设定为55mm。两种方案的模型采用了造型功能强大的三维绘图软件CATIA完成，如图5和图6。

4.2 模型的预处理

4.2.1 网格划分

图5 方案一普通水冷式排气管

图6 方案二新结构的排气管

网格划分是CFD的一项重要工作，因为网格不仅是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体，网格质量好坏直接关系到CFD模拟仿真进行与否、计算精度和计算效率。在将排气管三维模型导入STAR－CCM+中进行网格划分时，因为CATIA造型的模型面网格可能存在漏洞、缝隙、表面干涉和错配、表面重叠等问题，不能直接用来生成体网格，必须利用STAR－CCM+软件提供的表面包面功能(Surface Wrapper)和表面重构功能(Surface Remesher)进行预处理，即进行面网格的划分，如图7和图8。

图7 方案一内、外面网格

图8 方案二内、外面网格

面网格完成后，在此基础上进行体网格的划分。面网格采用了多面体网格和边界层网格模型。固体区域体网格模型如图9所示。在流固交界面设置1mm的边界层，边界层层数为2。边界层是由于流体的黏性作用产生的，所有的固体区域和流体区域的交界面都设置为interface，进行热量的传输。流体区域的体网格模型如图10和图11所示。

图9 固体体网格

图10 气体体网格

图11 冷却水体网格

4.2.2 模型假设与计算模型

在不影响结果判定的情况下，本文研究所用的气体以热空气进行计算，冷却水按饱和水进行计算，认为水冷式排气管内流动的流体是密度、黏度不变的不可压缩的，且流体的物理性质均匀一致，流体状态为不可压缩、湍流流动。发动机排气系统内的流动一般是高雷诺数的三维非定常湍流，本文研究水冷式排气管采用的湍流计算模型是标准k－ε模型，该模型较为简单，在计算成本较低的情况下能保证很好的计算精度。

4.2.3 边界条件设置

(1)入口边界条件

本文对水冷式排气管进行稳态模拟。气体入口采用速度入口，根据《东风康明斯柴油机性能参数表》，计算出防爆功率时，转速2200r/min工况下的排气速度为87.536m/s，排气温度673K，即气体入口温度。冷却水入口采用速度入口，根据计算的冷却水流速为2.913m/s，入口温度343K。

(2)出口边界条件

水冷式排气管的出口有两个，在模拟中都采用压力出口，出口环境温度300K。

(3)流体属性设置

气体模型简化为理想气体，定常密度，气体设为空气，定为673K时的物性。冷却水的模型设为定常密度，定为343K时的物性，不考虑重力，不考虑水的沸腾和相变的影响。流体的对流换热系数受多种因素影响，没有确定的值。根据经验值，取气体的对流换热系数15W/(m2·K)，冷却水的对流换热系数为2500W/(m2·K)。

(4)壁面边界条件

固体与流体接触壁面设为无滑移，对流换热，流体在此壁面上速度为0。排气管外壁也向外散热，设环境温度300K，对流换热系数为15W/(m2·K)。两个法兰端面和螺孔均采用固定约束边界，其余壁面为绝热壁面，自由边界。

(5)固体属性设置

排气管的材料选用不锈钢，密度为8055kg/ m3，比热容为480J/(kg·K)，泊松比为0.285，热导率为15.1W/(m·K)，热膨胀系数为1.72× 10－5/K，杨氏模量为193000MPa。临界热应变参考温度为300K。

5 温度场计算结果及分析

5.1 排气管温度

防爆柴油机运行时，高温废气和排气管发生热量传递，排气管和冷却水发生热量传递。整个过程主要以对流换热方式传递热量，而固体部分，热量以热传导方式传递。外壁面则向周围大气散热，一部分以自然对流换热方式传递给周围空气，一部分热量以传导和辐射换热方式传递给环境大气。本文在计算水冷式排气管温度场时，主要考虑固体壁面和高温废气、冷却水的对流换热，外壁面考虑与环境中常温空气的热对流，不考虑辐射和导热的影响。

图12是两种排气管表面的温度分布。从中可以看出两者的外壁温度均没有超过150℃。但是两者在气体入口处的法兰内温度略高，这里没有冷却水的直接冷却，因此温度较高。但是这里和其他部件连接，高温部分不会暴露在外，对隔爆效果没有影响。

图12 排气管表面温度

图13是排气管内壁冷却水入口附近的温度分布。从中可以看出方案一中出现了过热的部分，而方案二中则没有出现过热的部分。

图13 排气管内壁局部温度

5.2 冷却水温度及截面流速

图14是冷却水的温度分布。从中可以看出方案一中冷却水出现过热的区域与图13(a)中的区域一致。两者在近法兰处都有高温部分，这与图12中所表示的相一致，可见高温废气对排气管入口部分有较大影响。

图14 冷却水温度

排气管壁发生过热受多种原因的影响，如排气管本身的结构，包括管径、管长、壁厚等;还有就是管内流动是否合理，包括流速与流场的分布情况。在排气管结构参数中，管壁越厚，传热效果变差，容易引起高温;管长并不影响流动和传热;管径则是影响流动和换热的重要特征参数。在本文的模拟中，排气管的外形尺寸受到连接部位的尺寸限制，两管的管径相同;为便于对比，两管的管长、壁厚都相同。因此，这些参数对流动和换热的影响在两个方案中是一致的。而结构上的不同就在于内管的凹凸结构，这种结构也就造成了管内流动的不同。因此，在方案一过热部位做排气管的截面，在方案二相同位置做截面，对比此截面上冷却水的流速，如图4－9所示。

图15 截面冷却水的流速

从图中可以看出，两种方案流速最明显的区别就在顶部。下半部分流速大的区域方案二也比方案一的大，顶部方案二的流速明显高于方案一。方案二冷却水在顶部的流动比方案一好很多。更好的冷却水的流动，将此处集中的热量更好地带走，流速越大，传热效果越好，使得这里的过热现象有了较好的解决。

5.3 排气管出口气体温度

图16是排气管出口气体的温度分布。从中可以看出两者的温度分布很相近。具体的出口平均温度方案一为623.094K，方案二为617.417K。方案二比方案一的温度低约5K。方案二确实提升了一定的换热能力。

图16 排气管出口气体温度

6 结语

(1)建立了基于STAR－CCM+的排气管的数值模拟模型，完成了针对防爆柴油机水冷式排气管在2200r/min工况下，热流耦合时排气管内流体、固体温度分布的仿真模拟分析，结果表明:普通水冷式排气管存在着局部过热和冷却水局部高温的部分，二者在同一区域，是由于此处的冷却不足造成，而新式水冷式排气管对普通水冷式排气管中的问题进行了较好的解决，没有出现局部高温过热的情况，并且对排气的冷却效果也有提升。

(2)计算机辅助工程(CAE)分析可以很好地对各种排气系统设计方案进行选择，可以从排气管结构局部优化和性能部分优化来不断完善排气管甚至整个排气系统的设计，因此，CAE分析必将在车用排气系统的设计中发挥越来越重要的作用。

(责任编辑 吕春红)

［1］张福祥，贾二虎.尾气净化技术在煤矿防爆柴油机上的应用［J］.煤矿机械，2010，31(4).

［2］王清燕.煤矿用运输车辆排气防爆技术研究［D］.武汉理工大学.2013.

［3］李明.STAR－CCM+与流场计算［M］.北京:机械工业出版社，2011.

Numerical Simulation Analysis of Explosion－proof W ater－cooled Diesel Engine Exhaust Pipe based on STAR－CCM+

SUILi-ming，et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College，Xinxiang 453000，China)

The explosion－proof water－cooled diesel engine exhaust pipe is an important part of the exhaust system and an important guarantee for high temperature exhaust gas achieving the temperature standards when it flows in each component between the exhaust system.This paper uses the STAR－CCM+software to mesh and set physicalmodel for two kinds ofwater－cooled exhaust pipe，through the analysis of numerical simulation，the results show that the new structure of thewater－cooled exhaust pipe temperature is uniform distribution，no overheating areas，and the heat transfer performance is better.

explosion－proof diesel engine;water－cooled exhaust pipe;STAR－CCM+

U464

A

1008-2093(2015)02-0019-05

2015-01-11

睢利铭(1988－)，女，河南安阳人，助教，硕士研究生，主要从事发动机排放控制与电控技术、汽车及发动机CAD/CAE研究。