摘 要

排气歧管作为气缸与排气系统的连接中枢，其结构的合理性直接影响发动机的动力性、经济性以及排放性，排气歧管中的氧传感器也与三元催化转化器的转化效率密切相关。因此，为了改善发动机的整体性能，使得排气歧管温度场、压力场以及速度场分布合理，并且氧传感器位置布置合理，基于CFD对排气歧管进行分析与优化有重要意义。

本文首先对计算流体力学的基本理论进行概述，其中包括计算流体力学的基本思想以及计算流程；并对研究中所使用的软件STAR-CCM 进行介绍；然后建立排气歧管流体域网格模型为排气歧管的流体动力学分析奠定基础。

之后对排气歧管流体域网格模型进行物理模型的选择以及边界条件的设定，求解之后对计算结果进行可视化处理，从最高温度、最大压力、流场流线分布、氧传感器周围最大平均流速和最大流速差异性等方面对排气歧管的温度场、压力场、速度场以及氧传感器位置合理性进行了分析。分析结果表明该排气歧管最高温度低于要求值，且温度分布均匀，流线分布合理，通气顺畅，氧传感器位置最大平均流速与最大流速差异性均符合要求。但是通过对氧传感器周围速度场的分析，可能存在更合理的氧传感器位置。

最后根据对氧传感器周围速度场的分析，对氧传感器位置进行了优化，将管道打瘪后，使氧传感器位置下沉6mm。之后对优化后的排气歧管进行流体动力学分析，并与优化前进行对比，优化后的最大平均流速达到127.07m/s，比优化前提升8.46%，并且其他指标仍处于要求范围内，优化结果较为满意。

关键词：排气歧管；氧传感器；CFD；结构优化

Abstract

The exhaust manifold serves as the connection center between the cylinder and the exhaust system. The rationality of its structure directly affects the power, economy, and emissions of the engine. The oxygen sensor in the exhaust manifold also converts with the three-way catalytic converter. closely related. Therefore, in order to improve the overall performance of the engine, make the temperature field, pressure field and velocity field of the exhaust manifold reasonably distributed, and the location of the oxygen sensor be reasonable, it is of great significance to analyze and optimize the exhaust manifold based on CFD.

This article first summarizes the basic theory of fluid dynamics analysis, including the basic idea of ​​fluid dynamics analysis and the calculation process; introduces the software STAR-CCM used in the study; then establishes the fluid according to the three-dimensional model of the exhaust manifold The domain grid model lays the foundation for the fluid dynamic analysis of the exhaust manifold.

After that, the physical model selection and boundary conditions are set for the exhaust manifold fluid domain grid model, and the calculation results are visualized after the solution, from the highest temperature and distribution, the maximum pressure, the flow field streamline distribution, and the oxygen sensor surrounding The maximum average flow rate and the difference in maximum flow rate are analyzed for the temperature field, pressure field, velocity field of the exhaust manifold and the location rationality of the oxygen sensor. The analysis results show that the maximum temperature of the exhaust manifold is lower than the required value and the temperature distribution is uniform, the streamline distribution is reasonable, the ventilation is smooth, and the difference between the maximum average flow rate and the maximum flow rate of the oxygen sensor location meets the requirements. However, by analyzing the velocity field around the oxygen sensor, there may be a more reasonable location of the oxygen sensor.

Finally, according to the analysis of the velocity field around the oxygen sensor, the position of the oxygen sensor was optimized. After flattening the pipeline, the position of the oxygen sensor was lowered to 6mm.Afterwards, the optimized exhaust manifold was subjected to fluid dynamics analysis and compared with that before optimization. The maximum average flow velocity after optimization reached 127.07m/s, which was 8.46% higher than before optimization, and other indicators were still within the required range. The optimization results are satisfactory.

Key Words：exhaust manifold；oxygen sensor；CFD；structural optimization

目 录

摘要 I

Abstract I

第1章 绪论 1

1.1 课题研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 研究主要内容 3

第2章 排气歧管流体域网格模型建立 4

2.1 计算流体动力学理论概述 4

2.1.1 CFD基本思想 4

2.1.2 CFD计算流程 4

2.2 STAR-CCM 软件介绍 5

2.3 排气歧管CFD网格模型建立 5

2.4 本章小结 7

第3章 排气歧管流体动力学分析 8

3.1 排气歧管CFD物理模型选择 8

3.2 排气歧管CFD参数设置 8

3.2.1 边界条件设定 8

3.2.2 计算条件设定 10

3.3 计算结果分析 10

3.3.1 温度场分析 10

3.3.2 压力场分析 12

3.3.3 速度场分析 13

3.3.4 氧传感器处速度场分析 14

3.4 本章小结 16

第4章 排气歧管优化 17

4.1 排气歧管优化方案 17

4.2 排气歧管优化前后对比 17

4.3 本章小结 20

第5章 总结与展望 21

5.1 总结 21

5.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

近年来，经济发展突飞猛进，石油资源消耗也越来越快，随之而来的便是各种污染问题。人们对汽车的排放性能要求越来越严格，以求在发展经济的同时保护好我们赖以生存的家园^[1]。发动机排气系统作为发动机的一部分，其主要功能是将发动机做功后排放的气体汇集到排气歧管，然后通过三元催化器的催化氧化，最后通过消声器消声处理后由排气尾管排入大气^[2]。由此可见，排气系统直接影响着发动机的排放性能^[3]。发动机气缸和排气系统由排气歧管连接在一起，其结构与发动机排气系统的整体性能关系密切。因此，分析排气歧管内部流场的分布，并以此来对结构进行优化具有重要意义^[4]。

电喷发动机控制系统中的重要传感元件氧传感器也布置在排气歧管之中，其作用是监测气缸内燃气燃烧后排出废气中的氧含量，通过以过量空气系数为目标的闭环控制将进入气缸燃气的空燃比控制在合适的范围内^[5]；这样才能使得废气中每一种污染物的转化效率尽可能提高，从而使得三元催化器的总体工作效率达到最高，以此来满足日趋严格的排放标准^[6]。由此可见，要想保证三元催化器的整体工作效率，必须正确的布置氧传感器位置，研究氧传感器在排气歧管中的布置问题具有重要意义。

随着电子计算机的发展，CFD分析技术也日趋成熟。在汽车开发环节对流场进行CFD分析已经成为必不可少的一部分。在排气歧管设计研发时，利用CFD分析技术对流场进行分析，可以尽早解决设计中存在的问题，保证各参数处于要求的范围内^[7]。与传统排气歧管设计相比，应用CFD进行排气歧管设计大大缩短了研发周期，提高了汽车零部件企业的生产效率，从而降低了制造成本^[8]。CFD正在逐渐成为排气歧管研发设计改进中最行之有效的方法^[9]。