张 昊，张德龙,2，张晓刚，王 瑞，汪 昇

(1.甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741001；2.天水协同科技创新研究院，甘肃 天水 741001)

0 引 言

汽车在高速运行时，混合油气在发动机缸体完成燃烧做功后，会在活塞的作用下，从排气门直接排入发动机排气歧管中，因此排气歧管会受到较大的热冲击而使温度急剧上升。同时，排气歧管的外侧与高速冷空气还在进行强制对流换热和辐射换热。由于排气歧管内外侧较大的温度梯度，使得排气歧管产生了极不均匀的热应力分布[1]。如果热应力和热载荷超过材料所能承受的极限，将会降低排气歧管的使用寿命，甚至出现破裂失效[2]。

由于高温废气在排气歧管中的运动过程复杂，排气歧管内外壁换热环境差异较大，难以直接通过实验法获得准确运行参数，为此笔者拟使用Ansys软件建立发动机排气歧管工作时的热、流、固耦合模型，并进行稳态过程求解，以获得排气歧管在工作过程中的热应力和和热变形参数，为排气歧管的优化设计提供参考和依据。

1 排气歧管的流动和换热数学模型

若采用有限体积法进行流道内流体介质的流动分析，可使用标准k-ε湍流模型、不可压缩流体的连续性方程、和动量守恒方程(Navier-Stokes方程)来求解流道内流体介质的流动状态。

(1)不可压缩流体的连续方程：

(1)

式中：ρ为密度；t为时间；υ为速度。

(2)动量守恒方程(N-S方程)为：

(2)

式中：υ为速度矢量；-∇p为压强梯度；η∇ν2为黏性力张量；ρW为质量力。

高温废气在排气歧管中运行，包含热热传导、热对流和热辐射三个过程，由于热辐射量非常小，本文忽略热辐射的影响，只考虑热对流和热传导的作用。……