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摘 要：本文通过计算流体力学方法，运用Fluent软件对汽车排气系统消音器冷凝水吹出性能方面进行校核计算，与试验实测结果比较，并找出影响消音器排水性能的原因；结果表明：对排气系统消音器通过Fluent多相流计算可以准确直观的模拟出冷凝水吹出的动态流动过程，模拟结果与试验结果吻合性良好。
关键词：排气系统；计算流体力学；冷凝水；Fluent
中图分类号：TM911.4 文献标识码： A 文章编号： 1005-2550（2015）01-0041-05
1 引言
汽车排气系统位于车辆底部，连接发动机出气端与大气，主要作用是排放净化发动机产生的废气、降低噪音、解耦发动机振动等。如图1所示，排气系统通常由挠性节、三元催化器、消音器、排气管、吊钩吊耳、法兰、排气尾管等零件组成。排气系统一般越接近发动机侧的零件往往温度越高，甚至可能达到800-900°C，高温气体排出至消音器内部在停车熄火后会发生冷却液化，形成冷凝水。如果设计不当，加之部分客户会长期在低转速下行车，冷凝水往往会在消音器内部积聚不易吹出，其中含有燃油中带来的氯离子、硫离子等对消音器内部不锈钢材料具有腐蚀作用，甚至会引起消音器内部管路腐蚀失去声学功能甚至断裂失效[1]。可见排气系统在开发过程中，除了声学、模态、热力学、强度、耐久性、背压等方面，冷凝水吹出性能也是必不可少的设计认证内容。
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）， 是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支，已广泛应用于汽车设计等工程领域。相对于排气系统开发试验而言，采用数值模拟方法来开发汽车排气系统，可以减少试验量，大大缩短设计周期以及降低设计成本，国内外学者通过CFD方法在流体力学、热力学、声学、气液混合多相流等多方面的研究[2-8]，已取得了一系列的成果。
本文首先利用CFD软件Fluent多相流组分输运模块对两种外形体积相同的排气系统消音器进行冷凝水吹出性能动态分析，从流体力学方面找出影响其排水性能的关键因素，在此基础上参考试验规范进行排水试验，并与模拟计算结果进行对比验证。
4 试验验证
如图11所示为本文设计的消音器排水试验原理示意图。鼓风机产生气流通过管路吹入注满水的消音器，通过流量试验台架控制消音器进气管口流量同为97 g/s，收集消音器排水，至其不再排水并测量。
试验结果表明：两种方案消音器排出水的体积分别为9.93 L及10.27 L。可以验证说明b方案消音器排水能力强于a方案消音器，且模拟计算排水容积与试验相比十分接近。模拟计算误差分别为3.9%及4.2%。
5 结果与分析
本文利用CFD多相流模块动态模拟计算了两种消音器排水能力，并通过试验验证模拟计算结果，得出结论如下：
（1）冷凝水积聚于消音器内部会造成消音器芯管壳体腐蚀失效甚至断裂，在排气系统开发过程中，排水性能是必不可少的设计认证内容。通过CFD软件Fluent多相流模块可以有效模拟计算验证消音器排水性能。
（2）本文中b方案消音器排水性能优于a方案消音器，其主要原因在于b方案消音器内部流体力学性能使其易于排水，即出气管进口端最低点轴向线速度较大，动能较大，使其易于带动液滴克服阻力，故易于排水。
（3）本文通过试验方法同样验证得出b方案消音器排水性能优于a方案消音器，通过CFD多相流模拟计算所得排水容积结果与试验相比误差分别为3.9%及4.2%。
参考文献：
[1]李博，王堂伟，刘湃，等.新型国产不锈钢材料在汽车排气系统中的应用[J].汽车科技，2012，（3）： 44–50.
[2]马家义.消声器内部流场及其对消声性能影响[J].车用发动机，2007，（5）：5-31.
[3]郑泽红，何天明.汽车排气消声器的优艺设计[J]. 武汉汽车工业大学学报，1999，21（1）：76-79.
[4]李洪亮，王海洋，王务林. 汽车排气系统的流场分析与优化[J]. 汽车科技，2010，（1）：14-17.
[5]李国祥，李娜，王伟，等.消声器内部流场及温度场的数值分析.内燃机学报，2003，21（5）：337-340.
[6]Kim M H.Three—Dimensional Numerical Study on the Pulsating Flow Inside Automotive Muffler with Complicated Flow Path.SAE Paper， 2001，（01）.
[7]袁兆成，丁万陆.排气消声器的边界元仿真设计方法[J].吉林大学学报（工学版），2004，（3）：357 .
[8]谷芳，刘伯潭，李洪亮，等. 基于CFD数值模拟的汽车排气系统结构分析[J].内燃机学报，2007，25（4）：358-363.
[9]陈专，吕洪，马建新，等. 车用PEMFC发动机空气过滤器的设计研究[J].车用发动机，2009，（1）：8-11.
关键词：排气系统；计算流体力学；冷凝水；Fluent
中图分类号：TM911.4 文献标识码： A 文章编号： 1005-2550（2015）01-0041-05
1 引言
汽车排气系统位于车辆底部，连接发动机出气端与大气，主要作用是排放净化发动机产生的废气、降低噪音、解耦发动机振动等。如图1所示，排气系统通常由挠性节、三元催化器、消音器、排气管、吊钩吊耳、法兰、排气尾管等零件组成。排气系统一般越接近发动机侧的零件往往温度越高，甚至可能达到800-900°C，高温气体排出至消音器内部在停车熄火后会发生冷却液化，形成冷凝水。如果设计不当，加之部分客户会长期在低转速下行车，冷凝水往往会在消音器内部积聚不易吹出，其中含有燃油中带来的氯离子、硫离子等对消音器内部不锈钢材料具有腐蚀作用，甚至会引起消音器内部管路腐蚀失去声学功能甚至断裂失效[1]。可见排气系统在开发过程中，除了声学、模态、热力学、强度、耐久性、背压等方面，冷凝水吹出性能也是必不可少的设计认证内容。
计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）， 是用电子计算机和离散化的数值方法对流体力学问题进行数值模拟和分析的一个分支，已广泛应用于汽车设计等工程领域。相对于排气系统开发试验而言，采用数值模拟方法来开发汽车排气系统，可以减少试验量，大大缩短设计周期以及降低设计成本，国内外学者通过CFD方法在流体力学、热力学、声学、气液混合多相流等多方面的研究[2-8]，已取得了一系列的成果。
本文首先利用CFD软件Fluent多相流组分输运模块对两种外形体积相同的排气系统消音器进行冷凝水吹出性能动态分析，从流体力学方面找出影响其排水性能的关键因素，在此基础上参考试验规范进行排水试验，并与模拟计算结果进行对比验证。
4 试验验证
如图11所示为本文设计的消音器排水试验原理示意图。鼓风机产生气流通过管路吹入注满水的消音器，通过流量试验台架控制消音器进气管口流量同为97 g/s，收集消音器排水，至其不再排水并测量。
试验结果表明：两种方案消音器排出水的体积分别为9.93 L及10.27 L。可以验证说明b方案消音器排水能力强于a方案消音器，且模拟计算排水容积与试验相比十分接近。模拟计算误差分别为3.9%及4.2%。
5 结果与分析
本文利用CFD多相流模块动态模拟计算了两种消音器排水能力，并通过试验验证模拟计算结果，得出结论如下：
（1）冷凝水积聚于消音器内部会造成消音器芯管壳体腐蚀失效甚至断裂，在排气系统开发过程中，排水性能是必不可少的设计认证内容。通过CFD软件Fluent多相流模块可以有效模拟计算验证消音器排水性能。
（2）本文中b方案消音器排水性能优于a方案消音器，其主要原因在于b方案消音器内部流体力学性能使其易于排水，即出气管进口端最低点轴向线速度较大，动能较大，使其易于带动液滴克服阻力，故易于排水。
（3）本文通过试验方法同样验证得出b方案消音器排水性能优于a方案消音器，通过CFD多相流模拟计算所得排水容积结果与试验相比误差分别为3.9%及4.2%。
参考文献：
[1]李博，王堂伟，刘湃，等.新型国产不锈钢材料在汽车排气系统中的应用[J].汽车科技，2012，（3）： 44–50.
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[3]郑泽红，何天明.汽车排气消声器的优艺设计[J]. 武汉汽车工业大学学报，1999，21（1）：76-79.
[4]李洪亮，王海洋，王务林. 汽车排气系统的流场分析与优化[J]. 汽车科技，2010，（1）：14-17.
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[6]Kim M H.Three—Dimensional Numerical Study on the Pulsating Flow Inside Automotive Muffler with Complicated Flow Path.SAE Paper， 2001，（01）.
[7]袁兆成，丁万陆.排气消声器的边界元仿真设计方法[J].吉林大学学报（工学版），2004，（3）：357 .
[8]谷芳，刘伯潭，李洪亮，等. 基于CFD数值模拟的汽车排气系统结构分析[J].内燃机学报，2007，25（4）：358-363.
[9]陈专，吕洪，马建新，等. 车用PEMFC发动机空气过滤器的设计研究[J].车用发动机，2009，（1）：8-11.