本文首先通过CFD软件FIRE计算排气歧管的内、外流场，得到歧管内外壁面的温度以及换热系数分布，并将结果映射到FEM的网格上，最后通过Abaqus对歧管总成进行热负荷分析，以期消除裂纹以及断裂等潜在问题。

随着人们对发动机小型化、大功率要求的不断提高，发动机的热负荷明显增大。排气歧管是发动机的主要受热零部件，其与高温排气直接接触，温度较高，工作环境十分恶劣，尤其是在由于高温而产生的热应力的反复作用下而形成的热疲劳，容易造成歧管出现裂纹，甚至断裂。因此，对发动机排气歧管热负荷的研究正变得越来越重要。本文将基于热固耦合算法，对某发动机排气歧管进行热负荷分析。

热固耦合算法介绍

热固耦合是指热力学与固体力学的交叉，它主要研究变形固体在热场作用下的各种行为以及固体位形对热场的影响。热固耦合分析首先是通过CFD软件（本文使用FIRE）对排气歧管的内外流场进行分析，然后对CFD结果进行时域平均，并将结果映射到FEM网格上，最后进行FEM分析（使用Abaqus），得到排气歧管的温度场，并计算其热应力。

由于FEM计算需要的热边界是一个稳态数值，而内流场的CFD计算则是一个瞬态值，因此必须首先将瞬态计算结果进行时域平均，才能赋值于FEM计算。在此，主要依据下面的公式进行时域平均。

平均换热系数：

平均温度：

式中φ/（°）表示时间步或曲轴转角；h(x)/（W/m2K）表示换热系数；T(x)/（K）表示温度。

CFD计算

1.内流场计算

内流场的计算为瞬态计算，为了保证计算收敛，一般需要计算4个工作循环，每个工作循环曲轴转过720°。边界条件由一维计算软件BOOST计算，得到相应位置的瞬态流量、压力和温度，分别作为歧管的进出口边界条件。工况点选择额定工况，发动机转速为6000r/min。由于本例中的排气系统是紧耦合的，因此内流场的计算模型除了排气歧管外，还包括了三元催化器。内流场计算模型如图1所示。

内流场的计算采用瞬态计算模式。离散格式使用迎风格式，通过一阶隐式格式离散时间项，压力与速度耦合算法选择SILMPLE。设定管内空气流动为不可压缩粘性湍流流动，湍流模型为k-zeta-f方程，使用混合壁处理描述壁面附近边界层流体速度、压力等的分布。

通过4个循环的迭代计算后，得到收敛解，然后进行整个工作循环的时域平均后，得到平均换热系数为175.32 W/m2K，平均温度为995.83K。换热系数与温度的分布情况详见图2、图3所示。

2.外流场计算

外流场主要是稳态计算，模型包括排气歧管、隔热罩以及三元催化器等。为了模拟实验室的环境，外流场的计算域取3倍发动机的尺寸，参考风扇的鼓风速度，设定外流场入口的风速为8m/s。图4为外流场计算模型。

外流场的计算为稳态计算。对结果进行平均后，得到平均换热系数为51.96 W/m2K。换热系数的分布情况如图5所示。

FEM计算

1. 温度场计算

将CFD结果映射到FEM模型中，即可提交温度场计算，得到温度场分布，如图6所示。由图6可以看出歧管的最高温度为671℃，位于总管的下部中间位置（如图中所示红色区域）。

2.热应力计算

此次计算只考虑热载荷作用下的应力和变形，得到温度场计算的结果，就可进行热进行热应力的计算。计算中设定两个载荷工况，分别是高温工况和歧管冷却到常温工况。将前面计算得到的温度场映射到应力计算模型上，提交运算即可。

图7、图8为计算结果。从中可以看出，歧管在热载荷作用下及冷却后，应力最大值均出现在支管交汇的中间位置，但值都不是很大，不超过60MPa。支管管口处应力值相对较大，这是由于与凸缘连接的定义造成，只要焊接良好，此处不会发生断裂。

结语

通过CFD计算，得出排气歧管内外表面的温度及换热系数分布，并能通过FIRE的映射功能将结果直接映射到FEM网格上，实现了流体与固体间的热量传递。通过热固耦合分析，得到了排气歧管表面的温度分布情况，歧管的最高温度为671℃，位于总管的下部中间位置。歧管在热载荷作用下及冷却后，热应力不超过60MPa，说明歧管设计合理，能够承受热负荷的冲击，不会断裂。