案例 | 汽车排气系统排气过程仿真

作者：MattoButson 工程服务经理；Ning Cao 产品设计工程师 Active Exhaust Corp. 多伦多 加拿大 

由于涉及到多个物理现象，排气系统设计相对复杂。设计者除了要考虑排气系统内的气流流动，还需要考虑它对发动机背压的影响。同时设计必须能够减轻排气歧管内气流流动产生的振动与噪声。系统温度必须维持在一定范围内确保最大化尾气后处理性能以及降低对环境及其他车用部件的影响。Active Exhanst在试验前通过多物理场仿真降低设计验证的迭代成本。

基于仿真的设计过程

Active Exhanst考虑多个仿真过程。由于流动对设计至关重要，公司首先关注CFD结果。工程师找到了满足需求的一些软件包，但是ANSYS软件凭借其多物理场的求解能力而胜出，包括结构，热及声。Active Exhanst选择ANSYS CFD-Flo求解流体，使用ANSYS Mechnical 求解结构，热及声学问题。这些软件以及集成在workbench里的其他工具使得多个物理场之间可以进行数据交换，进行耦合计算。

有限元分析结果-歧管变形

目前仿真是Active Exhanst的核心设计过程。第一步首先是打开包含CAD模型的文件，然后从结构模型中抽取流体域，添加相关边界条件，比如排气系统的进口质量流率，排气系统的出口压力以及其他与发动机工作条件相关的参数。随后使用ANSYS CFD进行流体仿真，可以得到排气系统的压降以及进口位置的背压。由于在真实的几何模型里模拟流动，通常计算结果与实验结果吻合得较好。

温度场分布及流线分布

CFD软件提供的诊断功能远超通过实验获得的结果，可以提供每一个位置的速度和压力。比如工程师在计算一个新的排气系统时，在流线图上发现了回流区。注意回流区通常会增加压降。通过改变CFD模型的几何模型，比如降低主通道的凸起和大曲率。重新计算，然后检查几何变化是否消除了回流区。这一过程通常会极大地降低背压。使用 ANSYS workbench的优势就是当几何变化时，网格、设置及求解会自动更新，节约开发时间。

消音器里温度及流场分布

在使用CFD 模拟的同时，Active Exhanst工程师使用ANSYS Mechanical从热、结构和声方面分析排气系统。ANSYS CFD和ANSYS structuralmechanical 软件的集成使得传递CFD计算的温度给 ANSYS Mechanical这一过程变得简单。这一温度场作为热分析的输入，可以用于确定排气系统外侧的温度以及由于热膨胀引起的应力。通过输入汽车的功率谱密度数据，ANSYS Mechanical也可以用于验证排气系统的结构完整性。使用这些输入进行随机振动分析可以确定频率响应及应力分布。动力学分析同样可以确定排气系统的模态频率。如果该模态频率有可能被发动机激活，工程师必须改进设计。

ActiveExhanst下一步仿真是在样机生产之前对排气系统声学性能进行预测。这可以利用ANSYS structural mechanics来求解。通过模态分析的输出结果来计算消声器中压力波的衰减和吸收。基于这一数据，软件可以模拟频率普上的传递损失和计算声发射。

基于仿真设计过程的最大优势是Active Exhaust总是在第一时间获得准确的设计。虽然每一个设计仍旧需要进行大量的测试，但是前面的仿真可以确保每一台样机都能满足客户的需求。同样仿真可以提供更多的结果信息，工程师可以很快的确认问题发生的根本原因，通过改进产品提升性能。公司客户得益于产品的高性能和较短的开发周期。得益于新的设计方式，Active Exhaust赢得了许多主要的合同。

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