【文章內(nèi)容簡介】 ，并運用流體分析軟件對排氣系統(tǒng)整體內(nèi)流場的工作情況進行分析研究，得到排氣系統(tǒng)內(nèi)流場的分布狀況，根據(jù)得到的相應數(shù)據(jù)，對排氣系統(tǒng)的性能作出評價； 2. 根據(jù)排氣系統(tǒng)在現(xiàn)實狀況中的外界以及內(nèi)部條件，在運用軟件分析內(nèi)流場時，根據(jù)相應的條件，設定初始條件根據(jù)給定的條件分析出來的結(jié)果，來判定排氣系統(tǒng)設計的最佳方案； 3. 簡單介紹 CFD 的理論，并簡述了計算 CFD 中常用的幾種湍流模型，最后介紹了多孔介質(zhì)模型的一些 處理方法 。 4. 通過給定的條件，和設定的邊界條件完成排氣系統(tǒng)內(nèi)部流場的分析，根據(jù)得到的結(jié)果不斷改進排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進行優(yōu)化設計。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 7 2 流體力學及流場分析軟件的介紹 概述 流體力學的連續(xù)介質(zhì)力學的一個分支，是研究流體（包括氣體和液體）及相關力學行為的科學。根據(jù)對運動物體的研究可以分為靜力和動力，也可以按應用范圍分為水力學，空氣動力學等。流體力學的基本方程是納維 斯托克斯方程， NavierStokes方程。它包含的速度 ，壓力，密度，粘度， P 和 T 的變量，如溫度，這些位置（ x， y，z）函數(shù)和時間 流動模擬是第一個完全建立在 SolidWorks 軟件在熱流體仿真分析模塊，操作簡單，使用方便。流動模擬不需要另一個計算流體動力學（ CFD）來修改你的設計中的應用，從而節(jié)省了時間和成本的相當大的。利用 CFD 分析功能，可以模擬液體和氣體流量，操作條件的實際情況，和組件或周圍的流體滲透零件的快速分析，傳熱和相關的力。 流體力學及應用現(xiàn)狀 （ 1） 流體力學的發(fā)展 在第十七世紀，牛頓流體阻力的研究在移動體力學的創(chuàng)始人，阻力是與流體的 密度 、 物體迎流截面積以及運動速度 平方成正比關系。他在粘性流體運動的內(nèi)部摩擦是牛頓粘性定律提出了。然而，牛頓尚未建立流體動力學理論基礎上，他提出了許多的力學模型及結(jié)論與實際情況是不同的。在那之后，法國被用來測量皮托管測速；戴倫Bell 在電阻的運河船的許多實驗，證實與物體的速度阻力之間的關系；瑞士的歐拉采用連續(xù)介質(zhì)的概念，靜壓力的概念應用于流體的運動，歐拉方程，通過在非粘性流河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 8 體運動微分方程的正確描述；伯努利從經(jīng)典力學的水節(jié)能，供水管道流動，精心安排的實驗和分析，流體的速度，關系的管道壓力，高度下的運動 —— 伯努利 方程。 這些偉大的進步是研究方法和使用不同的數(shù)學分析方法，建立實驗設備和大型，精密儀器，分不開的。 50 年代以來，計算機的不斷提高，使分析的方法研究了原始的利用，可以采用數(shù)值計算的方法進行的，在這個新的分支計算流體動力學。同時，由于民事和軍事生產(chǎn)，流體力學等學科也取得了很大的進步。 （ 2） 流體力學應用現(xiàn)狀 從 80 年代初期開始才有 CFD 應用于汽車領域， 在這幾年之間 ，其應用已涉及到汽車車身設計、汽車內(nèi)部空間的空調(diào)、發(fā)動機內(nèi)部的氣體流動以及冷卻系、汽車液力變矩器、廢氣渦輪增壓器中的壓氣機和渦輪的葉輪與蝸殼等中的流動 現(xiàn)象的研究與計算，同時進一步發(fā)展到研究汽車與發(fā)動機中傳熱、燃燒以及預測噪聲強度與模具設計等相關的問題。 排氣系統(tǒng)是汽車發(fā)動機的關鍵部件之一，其優(yōu)劣影響到汽車的經(jīng)濟性、動力性和有害物排放的水平。近年來更多的汽車采用了四氣門技術及可變技術，柴油機也向直噴式燃燒室發(fā)展，這就使得相應的氣道設計日趨復雜化。運用 CFD 方法對排氣系統(tǒng)內(nèi)流體流動進行模擬計算，可以獲得排氣系統(tǒng)內(nèi)壓力、流速、流場分布以及溫度場等的分布規(guī)律，并建立排氣系統(tǒng)的形狀與其特性的關系，為設計與改進提供依據(jù)。 Solidworks 軟件的應用范 圍 SolidWorks 20xx 一些提供的新功能可以提高設計師和工程師的工作效率。例如，快速的大小是申請專利標記功能，可以顯示新的大小放置的替代品，和現(xiàn)有的尺寸甚至重新排列，從而為選定的空間大小。配置發(fā)布。用戶可以方便地發(fā)布到三維contentcentral174。服務接口，可以很容易地配置替代模型。正在申請專利的智能鼠標手勢的手部動作的簡化了前所未有的改善。 SolidWorks 20xx 還提供了參考平面大大加強的創(chuàng)作方法，鈑金，焊接性能，功能組件鏡像和直接編輯工具。 PhotoView 360的使用，初學者也 可以設計的照片圖像渲染效果如大師。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 9 1. SolidWorks 擁有功能齊全的 實體建模功能。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁 特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實現(xiàn)產(chǎn)品的設計。 2. 通過對特征和草圖的 不斷修復 ，用拖拽的方式實現(xiàn)實時的設計 優(yōu)化 。 3. 三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑，或為管道、電纜、線和管線生成路徑。 Flow Simulation 軟件簡介 Flow Simulation 軟件 是一款功能強大的計算流體力學（ CFD）工具，可以輕松快捷地仿真對于成功的設計至關重要的液體流動、 傳熱和流體作用力。 下圖為Solidworks 軟件中 Flow Simulation 應用部分： 圖 solidworks 軟件 Solidworks Flow Simulation 為無縫嵌入 solidworks 中的流體仿真軟件 ，是一種新的工具的革命產(chǎn)生的流體動力學分析。該軟件采用新技術，特別是與流體嚙合，設計工程師與熱相關的產(chǎn)品開發(fā)提供了有力武器。將復雜的計算流體動力學。你可以很快的和容易的模擬液體流動，傳熱和流體動力設計成功的關鍵。流體和氣體流動模河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 10 擬的實際條件，運行“假設”，并影響侵襲性零件的快 速分析及部分對流體流動，傳熱和相關的力?？梢员容^的設計方法做出更好的決策，從而獲得性能優(yōu)良的產(chǎn)品。模型的具體專業(yè)可以簡化分析暖通空調(diào)和電動冷卻。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 11 3 排氣系統(tǒng)理論基礎 汽車排氣系統(tǒng)的基本要求 （ 1） 應該滿足發(fā)動機的排氣 要求，如排氣背壓、功率損失等 因素 ； （ 2）排氣系統(tǒng)中的 零部件不可以 承 擔 由于重量、慣性力、元件的相對運動或由于過熱膨脹產(chǎn)生的 形狀改變而引起 過大應力； （ 3）排氣系統(tǒng)必須能 夠阻止外界的異物 ,如其他液體、垃圾等通過排氣系統(tǒng)進入發(fā)動機 或增壓器； （ 4）排出的廢氣必須擴散 到汽車進排氣 系統(tǒng)以外 ，以免對發(fā)動機合適的 工作 環(huán)境和 正常 運轉(zhuǎn)產(chǎn)生不良影響； （ 5）排氣系統(tǒng) 內(nèi)流體產(chǎn)生的噪聲必須 降低到符合相關法規(guī)的 要求 。 排氣系統(tǒng)的組成 排氣系統(tǒng)由 排氣歧管、前管 、催化轉(zhuǎn)化器、中心管、主消音器和 尾 管等零部件構(gòu)成。根據(jù)車種的不同，有的安裝了數(shù)個催化轉(zhuǎn)化器，有的安裝了副消音器。 下圖 為排氣系統(tǒng)的 基本結(jié)構(gòu)： 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 12 圖 排氣系統(tǒng)組成 排氣系統(tǒng)各個組成的功用 （ 1）排氣歧管，又 叫排氣支管，是發(fā)動機的一個重要組件，它的設計是一項專業(yè)化的工作 。發(fā)動機在工作過程中所產(chǎn)生的廢氣通過排氣歧 管進入排氣管。 （ 2）催化反應器 為了減少汽車排出的廢氣對空氣的污染排氣凈化系統(tǒng)。 將汽車 發(fā)動機缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生的 CO、 HC 和 NOx 等有害氣體通過氧化 還原反應 轉(zhuǎn) 化 為無害的CO H2O 和 N2 等氣體 的 過程 。 三元催化器的載體部件是一塊多孔陶瓷材料，安裝在特制的排氣管當中，通過廢氣流經(jīng)管內(nèi)的多孔介質(zhì)，對其進行廢氣處理。 （ 3）消聲器：排氣 系統(tǒng)上的消聲器既可以讓 氣流通過，又 可以 消除或 者降低 排氣 系統(tǒng)內(nèi)噪聲 噪聲的裝置，是控制氣流噪聲的主要裝置。 合理的消聲器設計，可以在其正常的工作環(huán)境下，有效的降低噪聲污染，降低阻力損失。 （ 4）排氣尾管：保證排出的尾氣，不至于吹到車身上，也不能使 排出的尾氣被吸進空氣濾清器，影響發(fā)動機的工況。 河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 13 4 排氣系統(tǒng)內(nèi)流場的模擬計算 Flow Simulation 軟件求解過程 (1) 整體設計流程 不管是流動、傳熱、污染的移動、穩(wěn)態(tài)問題，還是瞬息問題，此類的求解過程均可以用圖 所示的過程來求解： 圖 整體設計流程 (2) 確立控制方程 對于理論分析 ,采用守恒或非守恒 變量 ,守恒方程或非守恒方程 ,通常沒有本質(zhì)的區(qū)別 ,但是離散的數(shù)值計算中 ,守恒型與非守恒型 引起的差別會很大 ,尤其是求解含激波等弱解問題時。 因此 方程的守恒性 ，是計算流體力學中需要重點 注意的問題。排氣河北工業(yè)大學 20xx 屆本科畢業(yè)論文 14 系統(tǒng)內(nèi)的廢氣屬于流體，所以應該遵循基本的守恒定律。 但是 如果 排氣系統(tǒng)內(nèi)的 廢氣的流體處于湍流狀態(tài)時，我們還要添加湍流的運行方程。 (3) 邊界條件的設定與初始條件的確立 邊界條件與初始條件是控制方程有確定解的前提。邊界條件是在求解區(qū)域的邊界上所求解的變量或其導數(shù)隨時間和地點的變化規(guī)律。對于任何問題，都需要給定邊界條件。初始條件是所研究對象在過程開始時刻各個求解變量的空間分布情況，對于瞬態(tài)問題，必須給定初始條件，穩(wěn)態(tài)問題，則 不用給定。對于邊界條件與初始條件的處理，直接影響計算結(jié)果的精度。 在穩(wěn)態(tài)問題中，初始條件影響結(jié)果收斂的速度，而邊界條件控制流動形式。在瞬態(tài)（非穩(wěn)態(tài)）問題中，隨時間變化的流動形式收到邊界條件和初始條件的影響。 在瞬態(tài)問題中，除了要在計算開始之前初始化相關的數(shù)據(jù)外，不需要其他特殊處理。給定初始條件時要注意的是：要針對所有計算變量，給定整個計算域內(nèi)各單元的初始條件；初始條件一定是物理上合理的，要靠經(jīng)驗或?qū)崪y結(jié)果。 在流動分布的詳細信息未知，但邊界的壓力值已知的情況下，使用恒壓邊界條件。應用該邊界條件的典型問 題包括：物體外部繞流，自由表面流，自然通風及燃燒等浮力驅(qū)動流和有多個出口的內(nèi)部流動。 針對任何問題，都需要設定邊界條件。例如，在椎管內(nèi)的流動，在椎管進口斷面上，我們可給定速度、壓力沿半徑方向的分布，而在管壁上，對速度取無滑移邊界。