1．排气歧管的 CFD 计算过程

计算流体动力学（ComputationalFluid Dynamics，简称 CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。其基本思想可归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

排气歧管CFD 计算过程可以看作是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对高温废气流动的数值模拟。无论是稳态问题，还是瞬态问题，其求解过程都可用图 1 表示。如果所求解的问题是瞬态问题，则可将上图的过程理解为一个时间步的计算过程，循环这一过程求解下个时间步的解。

2．排气歧管的 FLUENT 分析

本文采用的是计算流体力学中的FLUENT 软件，它是一个用于模拟和分析在复杂几何区域的流体流动与热交换问题的专用CFD 软件。它提供的非结构网格生成程序，对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格；三维的四面体、六面体及混合网格。FLUENT 在此主要是用来计算排气歧管的流场问题，其计算过程是在空间上用有限体积法或其他类似方法将计算域离散成许多小的体积单元，在每个体积单元上对离散后的控制方程组进行求解

。

2.1 数值模拟

Fluent 中提供了这 2 种数值求解方法:分离求解法和耦合求解法。本文中采用的是分离求解法，与耦合求解法相比，它具有耗时少，节省计算资源等优点。在 κ-ε 求解过程中，采用的湍流模型是标准模型，而离散方式（也就是插值方式）采用的是空间离散的高阶离散格式二阶迎风格式。

2.2 几何模型

根据实际排气歧管的结构，如图2 所示。

通过观察分析和测量，利用 pro/e软件建立了其气体流道的三维结构模型，如图3 所示。

为了便于后面的流场分析计算，在此，将下面的4 个端面从左到右依次称为排气歧管气体的支管1、2、3和4，上面的2个端面从左到右依次称为气体出口1 和 2。

2.3 控制方程

气体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。而控制方程就是这些守恒定律的数学描述，如果用准 表示通用变量，各控制方程都可以表示成以下通用形式：

其中，u 为速度，t 是时间，ρ 为气体密度，Γ 为广义扩散系数，S 为广义源项。各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项，对于特定的方程，准、Γ 和S具有特定的形式。

2.4 网格划分

网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体，网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。将模型导入 GAMBIT 中，它提供了多种网格单元，根据三维模型的结构，在此采用的网格单元为 Tet/Hybird（主要由四面体网格构成，在适当位置也有六面体单元），而网格类型则为TGrid （混合网格），进行网格的自由划分，总单元数为89238 个。通过 FLUENT 中的网格检查结果中发现最小体积是正值，保证了网格划分的合理性。

2.5 边界条件

所谓边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理边界条件的问题，才可能计算得出流场的解。常用的流动进出口边界类型包括速度、压力和质量进出口边界。

本文采用的边界条件是入口为质量进口边界，其入口流量为500g/s，温度 1123K，工作压强为 0Pa。流动出口边界条件是与进口边界条件联合使用的，所以其出口的边界条件可设为压强 0.85Pa，温度 1123K。由于排气歧管进出口的温度几乎不变，所以取值相同。壁面为无滑移速度条件，采用壁面函数法。壁面函数法实际上是一组半经验的公式，用于将壁面上的物理量与湍流核心区内待求的未知量直接联系起来。其对流换热系数取为15W（/m2*K）。

3．计算结果分析

在计算的过程中，假设排气系统中的气体流动为三维、稳态、湍流流动的理想空气。而为了观察每根分管的流动特征，分别对4 个支管的入口依次施加边界条件。

支管1：

从图4 可以看出，当迭代次数达到130左右的时候，出口流量就达到了稳定。也可通过残差功能来观察结果是否收敛。而图5和6分别是入口1的压强与速度矢量图。

从图5 中可以看到，气体从入口1流入，从出口2流出，也流向了支管4，而支管 1 的外壁面压强较大。而从图 6 中可以看到气体流动的速度矢量图，图 7 是它的局部放大图，从图中的圆圈内可以看到气体的速度方向有向下的趋势，说明在该部分气体有回流现象的发生，通过修改其结构尺寸，再进行流场的分析计算，以此达到减小回流现象的发生，使气体的流动更顺畅一些，进而达到对其结构优化的目的。

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