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摘 要：数值模拟已成为研究汽车发动机性能的重要手段，本文简要介绍了数值模拟方法，重点阐述了数值模拟方法在排气系统上的应用。
关键词：发动机；排气系统；数值模拟
排气系统作为汽车中的一个重要构成部分，排气系统不单只直接影响着车辆的NVH性能，还起到对排气的催化净化作用；另一方面，排气系统作为与发动机废气直接接触部件，承受着化学腐蚀、高温作用以及交变力的影响，在这些因素的共同作用下，排气系统的耐久性、结构强度必然受到严峻的考验[1]。
用数值模拟方法可以对发动机燃烧过程进行瞬态仿真模拟，也可以对进排气系统流场进行模拟从而合理的设计和组织气流。此外，它还可以对系统的噪声，强度等相关性能进行模拟仿真。
一、数值模拟
数值模拟方法克服了实验测试和理论分析两种研究方法费时费力，要求对计算对象进行抽象和简化的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。数值模拟可形象生动地再现流动情景，且与做实验所取得的誤差很小。自20世纪70年代以来，出现了许多大型通用和专用数值模拟软件，如：ABAQUS、ANSYS、KIVA、FLUENT、FIRE、STAR-CCM+、STAR-CA、NASTRAN等。
二、数值模拟在排气系统上的应用
图1 排气系统
采用数值模拟方法研究排气系统性能的一般步骤如下：
图2 排气系统数值模拟基本步骤
（一）排气系统的气体流动分析
发动机排气系统内的气体流动过程非常复杂，是典型的非定常流动。由于排气歧管连接到排气总管上，当各个气缸间隔地排气时， 会在排气管内形成复杂的压力传播和反射流动，导致管内和气门处强烈的压力波动，影响与之相连的气缸的热力过程，影响着内燃机的经济性、动力性、排放性能等[2]。
国外， 20世纪70年代，开始大量开展对内燃机缸内气体流动的数值模拟的研究工作；到20世纪80年代，内燃机三维流动模拟的研究进入高潮，同时内燃机的多维模拟随着计算机性能的发展以及计算数值方法、计算流体力学的发展得到很大的提高；20世纪80年代末期，对数值模拟进气道-气门-气缸的内燃机模型气缸内部的气体流动进入了高潮[3]。现已掌握研究发动机气体流动技术，但仍需深入研究。
国内发动机缸内工作过程的数值模拟起步较晚。直到20世纪80年代中后期，国内才开始研究汽车进排气系统的多维模拟。国内吸收了国外先进的数值方法、数学模型和计算程序以后，相继开发出许多发动机数值模拟软件。例如：北京理工大学的老师们开发出的三维模拟程序RES3D-Ⅱ专门用于发动机工作过程模拟；吉林工业大学开发的程序SUN-I是用来模拟发动机缸内气流运动过程的，同济大学开发的ENGINE程序等等[3]。
（二）排气系统的振动特性分析
排气系统一端通过吊耳与车体相连，另一端与发动机相连。激励源的振动传递给排气系统，然后再通过吊耳传递给车体，车体的振动通过地板、座椅、方向盘直接传递给乘客，同时车体的振动会辐射出去，在车内产生噪声[4]。引起排气系统振动的五大主要激励源：发动机机械振动、路面随机激励、发动机气流冲击、声波激励、车体振动。
汽车振动影响乘客的乘坐舒适性，降低汽车的品质， 为此，国内外学者对此进行了多方面的研究。2000年，Eads介绍了对排气系统进行振动分析和优化的基本原理和方法，并给出了对排气系统吊挂的力学描述方法，即将吊挂看成是一根弹簧和一个与弹簧平行的阻尼器。2003年，Nefske建立了包含动力总成系统的简化排气系统的数值模型，对其进行有限元仿真，并将仿真结果与试验结果进行对比，证实了理论修改的合理性[5]。
相对于国外的研究，国内对排气系统的研究相对较晚，研究的内容也相对较浅。2005年，杨万里等，为研究乘用车排气系统振动特性，建立了排气系统数值模型，并进行模态分析，列出了部分振型图。2008年，蒋启成等，对汽车排气系统进行了模态试验分析，得到了排气系统的振型图和主要固有频率，并简要地阐述了隔离发动机振动的方法[5]。
（三）排气系统的噪声分析
排气噪声是直接影响着车辆NVH的一个重要因素。发动机排气门打开后，燃烧所产生的废气在排气管内急剧流动，受活塞往复运动和排气门开闭的影响，排气气流以脉冲形式在排气管中流动，产生了强烈的排气噪声。发动机排气噪声主要有周期性噪声、冲击噪声、气流摩擦噪声和辐射噪声[6]。
在声学理论方面，国外学者的研究要远远早于我国。1922年，美国学者Stewart，应用声学滤波理论指导抗性消声器的设计，并利用集中参数近似算法分析了部分消声元件。1975年，Yong和Crocker首次提出使用有限元法计算消声器的传递损失[7]。
国内对汽车噪声的研究较晚，直到1979年颁布执行机动车标准后才开始进行。1999 年，郑泽红等用传递矩阵法，对某款柴油机的排气消声器结构参数进行了优化设计。2006年，张乃龙等运用ANSYS软件对消声器内部流场及声场进行了有限元分析 [7]。
（四）排气系统的流固耦合分析
排气系统的运行其实是弹性固体壳体与气体流体相互作用的管道系统流固耦合过程，机械壳体在排气气流动载荷作用下会产生振动或变形，而壳体的振动或变形又反过来作用于流体运动的流场，所以研究排气系统流固耦合是很有实际意义[8]。
流固耦合是固体力学与流体力学交叉而生成的一门独立的力学分支。1999年，Chang-Myung Leed等发表了使用简化有限元模型对排气系统的结构特性研究的文章。2009年，冯凌寒利用有限元分析软件ANSYS 对五种水轮机喷嘴进行了结构静力学、流体动力学、模态以及单向流固耦合分析[8]。
（五）排气系统的疲劳耐久性分析 排气系统在交变力作用下，在排气系统的应力集中部位，将会发生疲劳损伤，当损伤累积
达到一定程度时，就会导致出现疲劳裂纹甚至断裂[1]；由于排气系统中的高温废气使得其壳体产生较大的温度分布梯度，从而产生有热应力，在长时间的作用下会使得排气系统产生有热疲劳损伤。
相较而言，国内排气系统疲劳耐久性的研究分析及技术开发明显滞后于国外同期水平。如：1999年，Atsushi Miyazaki等人對排气系统金属在高温工作条件下的疲劳寿命进行了讨论。2006年，Ralf Wohrmann采用有限元分析和试验分析相结合的方法对排气歧管进行了疲劳寿命分析，并依据分析结果对结构进行了优化。2006年，曹压提出借助CAE方法，在排气系统橡胶吊挂位置进行准确加载，可以完成对排气系统耐久性的预测；季振林，张建武等在排气系统上的研究成果为开展疲劳耐久性分析提供了条件[1]。
三、结论
（1）国内外已经使用数值模拟方法研究排气系统气体流动、振动、噪声、流固耦合、疲劳耐久性、结构强度性能，并能得到有用结果。
（2）数值模拟技术会随着计算机的发展，其模拟方式更加简单方便，数值模拟是分析排气系统性能的重要手段，也是设计研发发动机排气系统的可行方法。
参考文献
[1]沈渡，丁渭平.某车型排气系统疲劳耐久性分析[D].四川：西南交通大学，2007.
[2]焦天明，内燃机进排气系统气体流动模拟计算的现状与趋势[J].拖拉机与农用运输车.2001，（3）：11-13.
[3]张国庆，刘汉涛.内燃机进排气过程数值模拟[D].中北大学，2013.
[4] 刘敬平，邓帮林，杜标，冯仁华，许胜利. 某轿车排气系统振动分析[J].振动与冲击.30（8）：237-242.
[5]刘名. 排气系统振动特性与优化设计[D].南京：南京航空航天大学，2009.
[6]詹樟松，陈小，张小燕.应用 GT-Power 优化发动机进排气系统噪声[M].
[7]柴嵘. 汽车进排气消声器性能的数值仿真研究[D].安徽：合肥工业大学，2007.
[8]陆修进，张昆，杨秀建，李剑荣.汽车排气系统流固耦合分析研究[J].小型内燃机与车辆技术，2014，43（4）：6-9.
作者简介：饶均（1989-），女，汉族，重庆人，学生，在读硕士。单位：重庆交通大学，研究方向：汽车发动机CFD分析。
关键词：发动机；排气系统；数值模拟
排气系统作为汽车中的一个重要构成部分，排气系统不单只直接影响着车辆的NVH性能，还起到对排气的催化净化作用；另一方面，排气系统作为与发动机废气直接接触部件，承受着化学腐蚀、高温作用以及交变力的影响，在这些因素的共同作用下，排气系统的耐久性、结构强度必然受到严峻的考验[1]。
用数值模拟方法可以对发动机燃烧过程进行瞬态仿真模拟，也可以对进排气系统流场进行模拟从而合理的设计和组织气流。此外，它还可以对系统的噪声，强度等相关性能进行模拟仿真。
一、数值模拟
数值模拟方法克服了实验测试和理论分析两种研究方法费时费力，要求对计算对象进行抽象和简化的弱点，在计算机上实现一个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验。数值模拟可形象生动地再现流动情景，且与做实验所取得的誤差很小。自20世纪70年代以来，出现了许多大型通用和专用数值模拟软件，如：ABAQUS、ANSYS、KIVA、FLUENT、FIRE、STAR-CCM+、STAR-CA、NASTRAN等。
二、数值模拟在排气系统上的应用
图1 排气系统
采用数值模拟方法研究排气系统性能的一般步骤如下：
图2 排气系统数值模拟基本步骤
（一）排气系统的气体流动分析
发动机排气系统内的气体流动过程非常复杂，是典型的非定常流动。由于排气歧管连接到排气总管上，当各个气缸间隔地排气时， 会在排气管内形成复杂的压力传播和反射流动，导致管内和气门处强烈的压力波动，影响与之相连的气缸的热力过程，影响着内燃机的经济性、动力性、排放性能等[2]。
国外， 20世纪70年代，开始大量开展对内燃机缸内气体流动的数值模拟的研究工作；到20世纪80年代，内燃机三维流动模拟的研究进入高潮，同时内燃机的多维模拟随着计算机性能的发展以及计算数值方法、计算流体力学的发展得到很大的提高；20世纪80年代末期，对数值模拟进气道-气门-气缸的内燃机模型气缸内部的气体流动进入了高潮[3]。现已掌握研究发动机气体流动技术，但仍需深入研究。
国内发动机缸内工作过程的数值模拟起步较晚。直到20世纪80年代中后期，国内才开始研究汽车进排气系统的多维模拟。国内吸收了国外先进的数值方法、数学模型和计算程序以后，相继开发出许多发动机数值模拟软件。例如：北京理工大学的老师们开发出的三维模拟程序RES3D-Ⅱ专门用于发动机工作过程模拟；吉林工业大学开发的程序SUN-I是用来模拟发动机缸内气流运动过程的，同济大学开发的ENGINE程序等等[3]。
（二）排气系统的振动特性分析
排气系统一端通过吊耳与车体相连，另一端与发动机相连。激励源的振动传递给排气系统，然后再通过吊耳传递给车体，车体的振动通过地板、座椅、方向盘直接传递给乘客，同时车体的振动会辐射出去，在车内产生噪声[4]。引起排气系统振动的五大主要激励源：发动机机械振动、路面随机激励、发动机气流冲击、声波激励、车体振动。
汽车振动影响乘客的乘坐舒适性，降低汽车的品质， 为此，国内外学者对此进行了多方面的研究。2000年，Eads介绍了对排气系统进行振动分析和优化的基本原理和方法，并给出了对排气系统吊挂的力学描述方法，即将吊挂看成是一根弹簧和一个与弹簧平行的阻尼器。2003年，Nefske建立了包含动力总成系统的简化排气系统的数值模型，对其进行有限元仿真，并将仿真结果与试验结果进行对比，证实了理论修改的合理性[5]。
相对于国外的研究，国内对排气系统的研究相对较晚，研究的内容也相对较浅。2005年，杨万里等，为研究乘用车排气系统振动特性，建立了排气系统数值模型，并进行模态分析，列出了部分振型图。2008年，蒋启成等，对汽车排气系统进行了模态试验分析，得到了排气系统的振型图和主要固有频率，并简要地阐述了隔离发动机振动的方法[5]。
（三）排气系统的噪声分析
排气噪声是直接影响着车辆NVH的一个重要因素。发动机排气门打开后，燃烧所产生的废气在排气管内急剧流动，受活塞往复运动和排气门开闭的影响，排气气流以脉冲形式在排气管中流动，产生了强烈的排气噪声。发动机排气噪声主要有周期性噪声、冲击噪声、气流摩擦噪声和辐射噪声[6]。
在声学理论方面，国外学者的研究要远远早于我国。1922年，美国学者Stewart，应用声学滤波理论指导抗性消声器的设计，并利用集中参数近似算法分析了部分消声元件。1975年，Yong和Crocker首次提出使用有限元法计算消声器的传递损失[7]。
国内对汽车噪声的研究较晚，直到1979年颁布执行机动车标准后才开始进行。1999 年，郑泽红等用传递矩阵法，对某款柴油机的排气消声器结构参数进行了优化设计。2006年，张乃龙等运用ANSYS软件对消声器内部流场及声场进行了有限元分析 [7]。
（四）排气系统的流固耦合分析
排气系统的运行其实是弹性固体壳体与气体流体相互作用的管道系统流固耦合过程，机械壳体在排气气流动载荷作用下会产生振动或变形，而壳体的振动或变形又反过来作用于流体运动的流场，所以研究排气系统流固耦合是很有实际意义[8]。
流固耦合是固体力学与流体力学交叉而生成的一门独立的力学分支。1999年，Chang-Myung Leed等发表了使用简化有限元模型对排气系统的结构特性研究的文章。2009年，冯凌寒利用有限元分析软件ANSYS 对五种水轮机喷嘴进行了结构静力学、流体动力学、模态以及单向流固耦合分析[8]。
（五）排气系统的疲劳耐久性分析 排气系统在交变力作用下，在排气系统的应力集中部位，将会发生疲劳损伤，当损伤累积
达到一定程度时，就会导致出现疲劳裂纹甚至断裂[1]；由于排气系统中的高温废气使得其壳体产生较大的温度分布梯度，从而产生有热应力，在长时间的作用下会使得排气系统产生有热疲劳损伤。
相较而言，国内排气系统疲劳耐久性的研究分析及技术开发明显滞后于国外同期水平。如：1999年，Atsushi Miyazaki等人對排气系统金属在高温工作条件下的疲劳寿命进行了讨论。2006年，Ralf Wohrmann采用有限元分析和试验分析相结合的方法对排气歧管进行了疲劳寿命分析，并依据分析结果对结构进行了优化。2006年，曹压提出借助CAE方法，在排气系统橡胶吊挂位置进行准确加载，可以完成对排气系统耐久性的预测；季振林，张建武等在排气系统上的研究成果为开展疲劳耐久性分析提供了条件[1]。
三、结论
（1）国内外已经使用数值模拟方法研究排气系统气体流动、振动、噪声、流固耦合、疲劳耐久性、结构强度性能，并能得到有用结果。
（2）数值模拟技术会随着计算机的发展，其模拟方式更加简单方便，数值模拟是分析排气系统性能的重要手段，也是设计研发发动机排气系统的可行方法。
参考文献
[1]沈渡，丁渭平.某车型排气系统疲劳耐久性分析[D].四川：西南交通大学，2007.
[2]焦天明，内燃机进排气系统气体流动模拟计算的现状与趋势[J].拖拉机与农用运输车.2001，（3）：11-13.
[3]张国庆，刘汉涛.内燃机进排气过程数值模拟[D].中北大学，2013.
[4] 刘敬平，邓帮林，杜标，冯仁华，许胜利. 某轿车排气系统振动分析[J].振动与冲击.30（8）：237-242.
[5]刘名. 排气系统振动特性与优化设计[D].南京：南京航空航天大学，2009.
[6]詹樟松，陈小，张小燕.应用 GT-Power 优化发动机进排气系统噪声[M].
[7]柴嵘. 汽车进排气消声器性能的数值仿真研究[D].安徽：合肥工业大学，2007.
[8]陆修进，张昆，杨秀建，李剑荣.汽车排气系统流固耦合分析研究[J].小型内燃机与车辆技术，2014，43（4）：6-9.
作者简介：饶均（1989-），女，汉族，重庆人，学生，在读硕士。单位：重庆交通大学，研究方向：汽车发动机CFD分析。