某型通机消声器护罩温度场分析及其实验研究

0 引言

通机（General Purpose Engine），是指车用及特殊用途以外的发动机。通机主要由进排气系统、冷却系统、箱体、缸头、缸头盖、箱体盖、空滤器、消声器及护罩等组成。其中，排气消声器在工作时具有较高的温度，消声器护罩用于防护排气消声器的同时，可以防止人与高温消声器直接接触而造成皮肤灼伤。通机消声器护罩一般由成型钢板冲压制成，相关法规对护罩表面温度有严格的要求。为了满足法规和外观设计要求，护罩通常需多轮修模甚至重新开模才能合格，严重影响了开发进度，浪费人力物力。随着计算机仿真技术的发展，计算机辅助工程（CAE）分析在工业领域得到广泛的应用。基于计算机虚拟仿真开发（SimCenter）的集成化平台，对工业各领域产品进行虚拟设计与开发，已逐渐成为行业的趋势[1-2]。目前，基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的仿真分析在航空航天、汽车、通用机械等行业运用广泛。因此，本文以某型通机为研究对象，采用通用流体分析软件STAR-CCM+为虚拟仿真平台，利用数值模拟方法预测某型通机消声器护罩表面温度的分布情况，获得某型通机消声器护罩表面温度分布，与实验实测温度值对比分析，验证数值模拟分析方法的可靠性。本文的研究成果对后续通机消声器护罩的优化设计、提升产品性能具有重要的指导意义。

1 物理模型

某型通机整机三维模型采用Unigraphics NX 8.0（Siemens PLM Software，Italy）建模获得（图 1a）。流体仿真分析软件 STAR-CCM+（Siemens PLM Software，Italy）具有较高的集成度，是几何前处理、网格划分、计算求解、后处理功能一体化的集成软件，且具有自带的多面体网格技术和ThinMesher（薄壁层网格）技术。在流固耦合模拟中，采用薄壁层网格可以自动探测固体薄壁件，划分为高质量、均匀分布的类似于棱柱一样的网格，同时能大大控制网格数量，保证能量方程计算能够得到很好的收敛。本文采用STARCCM+11.06为分析平台，基于整机流场特性分析的网格参数控制策略研究结论对整机模型进行网格参数设置，流体计算域采用多面体网格和边界层网格（边界层6层）技术进行网格划分，固体计算域采用多面体网格和薄壁层网格（薄壁层5层）技术进行网格划分[3]。网格生成后的整机计算域网格模型图如图1（b）所示，网格数量约为 600 万。图 1（c）为消声器护罩表面13个温度测量点。常用的温度测量方法有红外热成像仪、点温计、温度传感器等[4]，本文选用点温计进行消声器护罩表面温度的测量。

图1 整机模型示意图

2 数学模型

流体流动满足三大守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。在流体流动处于湍流状态时，整个体系还要遵循湍流运输方程。以上这些守恒定律的数学描述，统称为控制方程。文中选用STAR-CCM+中提供的Realizable k-ε湍流模型进行数值计算。

湍流控制方程为三维不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程：

（1）质量守恒方程（连续性方程）[5，6]

该方程表述为在同一时间内某一封闭流体控制体表面的体积流量为零，即流入的体积流量等于流出的体积流量。不可压缩流体下，密度ρ为常数的质量守恒方程如式（1）所示。

（2）动量守恒方程（Navier-Stokes方程）[6]

该方程可表述为某一流动控制体，其动量的积累速率等于作用于控制体上的外力的总和。

（3）能量守恒方程[7-8]

温度场分析需要考虑热对流、对传导及辐射传热等三种热交换形式。含有热交换的流动系统必须满足能量守恒定律，即对某一流动控制体中流体所做功与热交换传递给流体的热量等于流体能量的增值。以温度T为变量的能量守恒方程如式（3）所示。

式中：ui、uj是平均速度分量，m/s；xi、xj为坐标分量，m；p是流体微元体上的压力，Pa；μeff是湍流有效黏性系数，Pa·s；T 是温度，K；λ 为流体换热系数，W/m2.K；Cp为流体比热容，J/（kg·K）；ST是流体内热源和由粘性作用引起流体机械能转变为热能，J.

（4）k-ε湍流模型方程[9]

k-ε湍流模型方程是基于湍流动能和湍流耗散率的半经验公式，其中k方程（湍动能方程）为精确方程，而ε方程（湍流耗散率方程）则是由经验公式经过推导形成的。k-ε湍流模型方程如式（4）所示。

式中：Gk为速度梯度产生的湍动能项；Gb为浮力产生的湍动能项；YM 表为脉动扩张项；C1ε，C2ε，C3ε 为经验常数；σk，σε分别为与湍动能k和耗散率相对应的Prandtl数；Sk和Sε为用户自定义的源项。

（5）辐射传热模型

辐射传热模型选择为Surface to Surface Radiation，类型为Gray Thermal Radiation.表面A1和表面A2之间的辐射换热能量的计算公式为[10]：

式中：φb12为辐射能量，W；X12、X21为角系数；A1、A2为表面积，m2；Eb1、Eb2为辐射能力，W/m2.固体计算域模型中任意两个表面，若其表面面积和温度已知，若角系数一旦确定，即可求出辐射换热能量。因此问题的关键为求解并确定角系数。STAR-CCM+中可以通过View Factor Calculator计算角系数，通过固体热边界条件（温度和换热系数）的输入，可以计算出受热辐射部件的表面温度，从而可以获得固体部件的辐射传热温度场[10-11]。

3 边界条件

本文边界设置均采用实测边界进行设置。图2所示为边界加载区域示意图（进出口边界及热边界加载区域）。消声器入口采用Mass Flow inlet边界，流量为1.016 g/s，温度为280℃；空滤器采用Mass Flow Inlet边界，流量为0.975 g/s.虚拟计算域按照通机实验室实际大小建立，入口设置为滞止入口（Stagnation Inlet），出口设置为压力出口（Pressure Outlet）；实验测试环境温度为28℃；流体属性选择为理想气体（Ideal Gas）。为了进行通机消声器护罩温度场的计算，本文对缸套、进排气道、缸头燃烧室、缸体、箱体内表面进行了相应的热边界设置，其中缸体、箱体内表面温度设置为80℃，对流传热系数设置为100 W/m2·K.缸套划分为 Cylinder-up、Cylinder-middle、Cylinder-down三个区域，对应的加载温度分别为200℃、225℃、250℃，对流换热系数都设置为300 W/m2·K；缸头进排气道（Intake Pipe、Exhaust Pipe）、燃烧室面四个区（Sparkplug、Zone1、Zone2、Zone3） 按空载运行状态下热流量进行加载，分别为43 760 W/m2，14 850 W/m2，169 000 W/m2，112 500 W/m2，72 560 W/m2，25 430 W/m2.

图2 边界加载区域示意图

本文在通机消声器护罩温度场分析中，在流体计算域侧考虑了辐射传热，因此需要设置固体部件材料的辐射发射率。本文将缸体、箱体、消声器部件等处理为固体，缸体、箱体材料为ADC12，发射率为0.5；消声器部件材料为ST14，发射率为0.5；其余非金属部件（风扇罩、空滤器、油箱等部件）材料为PP，发射率为0.9[12]。

4 模拟结果分析

4.1 模型验证

图3为整机结构布置图及发动机主体（箱体、缸体及火花塞）表面温度分布云图。图中火花塞截面处的温度仿真值为177℃，实验测试温度为168℃，两者间的差异较小，误差为5.4%，表明本文的热边界加载区域的划分方法及其边界的取值是合理的，可以用于后续消声器护罩表面温度场的仿真预测。

图3 整机结构布置图及发动机主体表面温度分布云图

4.2 辐射传热计算结果

图4 、图5分别为消声器护罩的温度分布云图、消声器护罩的辐射能量图。从图4可以看出，消声器护罩总体平均温度约为60℃，消声器护罩表面背离通机风扇侧的温度比正对通机风扇侧的温度略高，原因是较多的冷却风能够流经正对风扇侧的护罩表面，而流过背离风扇侧的护罩表面的冷却风较少，未能得到较好的冷却。同理，图5可以看出，背离通机风扇侧的远离风扇侧的辐射能量大，温度较高。

图4 消声器护罩温度分布云图

图5 消声器护罩辐射能量图

4.3 实验验证

图6 为消声器护罩表面13个测点的温度实测值与仿真值的对比曲线图。从图中可以看出，该消声器护罩表面温度仿真结果与实测结果变化趋势基本一致，总体平均误差约9%.表明本文构建的消声器护罩温度场计算方法是可行的，可以有效地预测消声器护罩表面温度分布，为通机消声器护罩设计与开发的前期提供相应的分析支撑。造成测点温度仿真值与实测值存在误差的原因可能是仿真温度提取点与实验测点选取间可能存在偏差和模拟假定固定不变的材料物理属性（实际材料物理属性是随温度变化的）。

图6 消声器护罩各测点温度仿真值与实测值的对比分析曲线

5 结论

（1）采用STAR-CCM+流体分析软件对某型通机消声器护罩进行了温度场分析，与点温计测取的温度值进行了对比分析，13个测点的温度仿真结果与温度实测结果的整体变化趋势基本一致，总体误差较小。通过模拟与实验的对比验证分析，表明本文构建的通机消声器护罩温度场计算方法具有一定的可行性，可以有效地预测消声器护罩表面的温度分布情况。

（2）消声器护罩表面温度分布合理，护罩表面总体平均温度约为60℃，消声器护罩背离通机风扇侧的辐射能量大，温度较高，护罩正对通机风扇侧的辐射能量小，温度较低。消声器护罩温度仿真值与实验值之间的总体平均误差约为9%，产生误差的原因主要是温度测点的提取差异、几何模型的简化及材料物理属性不定的假设。

（3）采用计算流体力学的数值模拟方法可以有效预测消声器护罩表面温度分布，评估温度值的合理性，可为消声器护罩的设计与开发提供分析支撑，减小实验次数，降低开发成本，且开发成功的消声器护罩能够满足相应的温度法规和外观设计的要求。