基于ANSYS的排气降温装置数值模拟研究

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1、基于ANSYS的排气降温装置数值模拟研究王继佳姚广涛陈桥陆军军事交通学院研究生管理大队陆军军事交通学院军用车辆系摘要：柴油机排气降温装置（TCD）工作时，内部流场的分布特性直接影响降温效率。木文基于ANSYSFLUENT对TCD进行数值模拟研究，分析TCD内速度场和压力场的分布特性，为提高TCD降温效率和减小TCD排气背压提供依据。关键词：排气降温装置;数值模拟研究;流场特性;0引言对TCD内的高温排气进行数值模拟研究，就是利用计算流体动力学（CFD,ComputationalFluidDynam

2、ics）软件对排气进行模拟计算£H。CFD包括前处理（建模、划分网格）、求解器（求解方程）和后处理（输出结果）三各主要功能部分。1网格独立性研究网格的独立性研究是指通过改变网格数量的方法进行计算，观察网格数量对计算结果的影响⑵。为确保网格既能完全反映排气流动的物理过程，又能达到良好的收敛性，必须对网格进行独立性研究。划分网格分为两种：（1）非结构化网格是指网格单元和节点无固定规律，节点任意分布；（2）结构化网格是指网格拓扑近似于矩形域内均匀的网格。网格划分的质量直接影响着ANSYSFLUENT收敛

3、快慢甚至求解成败，影响网格质量的部分主要参数如表1所示固。TCD中间分流室的凹凸面和喷管附近几何复杂，不适合划分全六面体结构网格，故该部分采用四面体网格划分;前后扩管结构简单，适合采用六面体结构网格。表1网格质量参数表下载原表参数含义Aspectratio长宽比equiangleskew单元夹角歪斜度Equisizeskew单元大小歪斜度Maxiuincellskewness最大歪斜度通过对排气流经TCD时产牛的压差变化对网格独立性进行研究，结果表明:压差随着网格数量的增加而显著变化，当网格数量增

4、加到一定值吋压差保持相对稳定。以质量流量650kg/h、高温排气600°C.常温空气25°C工况时的网格独立性研究为例，结果如图1所示。由图1可以看岀，随着网格数量增加，排气经过降温装置的压差急剧减小，随后剧烈波动。当网格数量达到4749575个时，压差基木保持稳定不变。所以，用于计算的网格总数量最终为4749575。其中0.3以下的网格约占0.09%,0.4以下的网格占0.25%,最小的网格质量系数为0.0381094,最大的网格质量系数为0.999625,平均的网格质量系数为0.7170367

5、87502,质量能很好的满足计算精度要求。TCD的整体网格和引射管3D网格的具体划分如图2所示。■4og0O7.64.3CQs.a3.3111111—2000000400000060000008OCN3O1工况图1网格独立性曲线下载原图图2TCD网格示意图（整体与引射管网格）下载原图2边界条件的设置研究在计算域边界上，流场变量必须满足的数学物理条件称为边界条件£11。在计算流体力学屮，初始条件以及边界条件的给定将直接影响数值模拟的准确性，准确给定计算模型的边界条件决定了数值模拟结果是否贴近实际的流

6、动情况。工程上认为气流的马赫数小于0.3时，可以近似忽略气体的可压缩性，将其认定为不可压流体［5-6］。ANSYSFLUENT中边界条件需要单独设置，边界条件主要分为4种:进口、岀口边界条件、壁面边界条件、内部单元区域边界条件与内部面边界条件。根据DPF再生时高温排气特性，数值模拟时采用理想不可压气体，环境压力设定为试验时所测定的大气压力98510Pa,大气环境温度为298.15K。其它边界条件设定如表2所示。3收敛的判断在对数值模拟计算结果进行统计之前，首先要明确性能评价指标，以便对计算结果进行

7、定量分析。设定残差收敛精度为10,并以平均误差作为考察指标。通过计算，最终得到收敛曲线如图3所示。由收敛曲线可以看tB,1800以后收敛情况理想。表2ANSYSFLUENT边界条件表下载原表边界条件参数进口温度873.15K,质量凹面进口总压相对值为OPa、需后扩管出口压力98510Pa.温居固壁绝热、无琳u^oeI^QitHiMXl1*41310001900iterations图3仿真收敛曲线图下载原图4仿真结果分析在表2设置的工况条件下求解获得流场收敛解后，利用Tecplot对仿真结果进行处理

8、，以获得速度场、压力场分布。4.1速度场特性分析4.1QE13ee^fli3：571rH)12«**01TWvHH309^41玛T，1-w^oi797^0001»*»00图4速度场分布横剖面图下载原图4殆十恥吗.1D«*0t33-57w*ft«sm*2k・0i血心336«*01t?$•*(>■•1*r3Imat&曲皿Ie«^(»0«v«QO图5速度场分布纵剖面图下载原图经过仿真结果后处理，图4和图5所示分别为高温排气在TCI）屮的速度场分布横剖面图和纵剖面图。宏观上可以清晰看出，整