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1、河北工业大学2014届本科毕业论文河 北 工 业 大 学毕业设计说明书(论文) 作 者： 耿玉伟 学 号： 100259 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 乘用车排气系统内流场分析 指导者： 刘璇 讲师 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务)2014年5月24日毕业设计（论文）中文摘要题 目 乘用车排气系统内流场分析摘要:汽车的销量随着人们生活水平的不断提高,以及当前工业化发展不断进步而迅速增长。但是越来越多的汽车给社会带来很多问题，如空气污染问题、噪声污染问题、能源消耗问题等等。汽车排气系统，是汽车上非常重要的部位，不仅能控制尾气污染,还会
2、可以降低排气噪声，而且对汽车动力性和经济性都会产生影响,所以它的设计好坏至关重要。传统的设计方法既浪费时间又得不到什么较好的结果,而且理论分析方法计算对象太过于抽象化和简化，有时也是非常难甚至不会得到解析解，但是CFD克服了这些弱点，在排气系统的优化设计及改进方案中提供了很多可行的方案。本文在查阅大量资料的基础上论述了排气系统的发展现状。然后对排气系统内流场进行了建模、模拟计算，并通过对它们流场中的一些数值模拟进行了流体分析，对排气系统的优化设计提出个合理的方案。关键词：排气系统；内流场；流体分析 毕业设计（论文）外文摘要Title The flow field analysis of pas
3、senger car exhaust systemAbstract:Car sales with the continuous improvement of living standards, as well as the current industrialization development progress and rapid growth. But more and more cars bring many problems to society, such as air pollution, noise pollution, energy consumption etc. Auto
4、mobile exhaust system, is a very important part of the car, can not only control the tail gas pollution, but also can reduce the exhaust noise, but also will have an impact on the dynamic performance and fuel economy, so it is crucial to its design quality. The traditional design method is not only
5、a waste of time and not what good results, and the theoretical analysis method to calculate the object is too abstract and simplified, and sometimes very difficult will not even get analytic solution, but CFD overcome these weaknesses, in the improved scheme and optimize the design of the exhaust sy
6、stem provides many feasible schemes.We first briefly introduce the development status of automobile exhaust system, and then introduces the application and the Solidworks software. Then the flow field in the exhaust system of computational modeling, simulation, and through the analysis of some numer
7、ical fluid flow simulation in them, put forward a reasonable proposal to optimize the design of the exhaust system.Key words: the exhaust pipe; The flow field; Fluid analysis目录1绪论51.1课题背景51.2国内外发展状况51.3课题主要研究内容62流体力学及流场分析软件的介绍72.1 概述72.2流体力学及应用现状72.3 Solidworks软件的应用范围82.4 Flow Simulation 软件简介93 排气系统
8、理论基础113.1 汽车排气系统的基本要求113.2 排气系统的组成113.3 排气系统各个组成的功用124 排气系统内流场的模拟计算134.1Flow Simulation软件求解过程134.2 建立排气系统模型174.3 求解域184.4 利用Solidworks软件进行模拟计算194.5 数值模拟得到运算结果24结 论30参 考 文 献31致 谢331 绪论1.1 课题背景随着我国人均生活水平不断提高和工业的迅猛发展，当今时代汽车已经成6为人们出门必备的交通工具。据统计，截至2014年我国汽车保有量为1.37亿辆，但是作为汽车主要能源供应，大家都知道，石油现在的储量并不能满足我们当前的需
9、求，并且在逐渐减少，而且燃油的价格也是越来越高。汽车的噪声污染也成为了环境污染的最大污染源之一，为人们的生活带来了很多不利。汽车排气系统是汽车上非常重要的组成部分，它在汽车上的作用是把产生的废气排出，在排气的过程中对废气进行净化、消声和降噪处理，它的性能的好坏对汽车的排气、噪声、动力性能以及油耗都有较大的影响。但是随着现代发动机的不断发展与进步，我们需要更好的排气管材料和更好的技术工艺。二十一世纪以来，随着计算机行业的不断发展，计算机模拟技术方面取得了非常大的发展，可以利用计算机对试验方法进行模拟计算，替代了原有的实验方法，弥补了之前的不足之处。1.2 国内外发展状况计算流体动力学（CFD，简
10、称CFD）在经典流体力学和数值模拟的方法，计算机仿真和图形显示，流体流动和传热的物理现象有关的系统分析。它是流体及其应用的学科机械运动。在各种力的作用下主要研究，自己的流体状态，力学和流体与固体壁之间的相互作用的分支，流体和流体的流体运动，和其他形式的。CFD方法可以克服的理论分析方法和实验测量的缺点，实现一个或多个特定计算的计算机上，喜欢在电脑上工作，物理实验。在本世纪下半叶，测试技术的数值实验，计算方法和分析方法的研究进展，对各种非线性渗流力学和其它物理方面的流动，发展现状-化学耦合作用是丰富多彩的。在实验方面，建立了适用于不同马赫数的研究，典型的流风洞的雷诺兹数范围，一个吉博管，弹道目标
11、和水箱，水隧道，转盘和其它测试设备，激光技术的发展，处理和分析成为可能，创造新的现象的条件和验证新的理论。流体力学的计算的快速发展。有限差分，有限元，有限元分析，光谱法和辛算法；建立一个完整的理论体系，即稳定性理论，分析，和网格生成和自适应技术，扩散的数值耗散和加速迭代法的收敛性；提出了混合方法和各种各样的拉格朗日-欧拉求解一个自由边界问题复杂流场的计算，包括高精度格式等复杂的冲击。目前，计算流体力学是流体力学的所有分支不可缺少的工具。在本世纪的流体力学的一些基本流动现象的研究取得了可喜的进步，下面将当前的湍流，流动稳定性研究现状，混沌，非线性波，涡旋运动，流程复杂，多相流和非平衡流域。1.3
12、 课题主要研究内容本文通过利用UG对排气系统的模型建立，运用Flow Simulation软件对其流场进行模拟分析，步骤如下：1. 确定乘用车上排气系统的模型，运用UG软件对排气系统进行初步建模，并运用流体分析软件对排气系统整体内流场的工作情况进行分析研究，得到排气系统内流场的分布状况，根据得到的相应数据，对排气系统的性能作出评价；2. 根据排气系统在现实状况中的外界以及内部条件，在运用软件分析内流场时，根据相应的条件，设定初始条件根据给定的条件分析出来的结果，来判定排气系统设计的最佳方案；3. 简单介绍CFD的理论，并简述了计算CFD中常用的几种湍流模型，最后介绍了多孔介质模型的一些处理方法
13、。4. 通过给定的条件，和设定的边界条件完成排气系统内部流场的分析，根据得到的结果不断改进排气系统的结构，进行优化设计。2流体力学及流场分析软件的介绍2.1 概述流体力学的连续介质力学的一个分支，是研究流体（包括气体和液体）及相关力学行为的科学。根据对运动物体的研究可以分为静力和动力，也可以按应用范围分为水力学，空气动力学等。流体力学的基本方程是纳维-斯托克斯方程，Navier-Stokes方程。它包含的速度，压力，密度，粘度，P和T的变量，如温度，这些位置（x，y，z）函数和时间流动模拟是第一个完全建立在SolidWorks软件在热流体仿真分析模块，操作简单，使用方便。流动模拟不需要另一个计
14、算流体动力学（CFD）来修改你的设计中的应用，从而节省了时间和成本的相当大的。利用CFD分析功能，可以模拟液体和气体流量，操作条件的实际情况，和组件或周围的流体渗透零件的快速分析，传热和相关的力。2.2 流体力学及应用现状（1）流体力学的发展在第十七世纪，牛顿流体阻力的研究在移动体力学的创始人，阻力是与流体的密度、物体迎流截面积以及运动速度平方成正比关系。他在粘性流体运动的内部摩擦是牛顿粘性定律提出了。然而，牛顿尚未建立流体动力学理论基础上，他提出了许多的力学模型及结论与实际情况是不同的。在那之后，法国被用来测量皮托管测速；戴伦Bell在电阻的运河船的许多实验，证实与物体的速度阻力之间的关系；
15、瑞士的欧拉采用连续介质的概念，静压力的概念应用于流体的运动，欧拉方程，通过在非粘性流体运动微分方程的正确描述；伯努利从经典力学的水节能，供水管道流动，精心安排的实验和分析，流体的速度，关系的管道压力，高度下的运动伯努利方程。这些伟大的进步是研究方法和使用不同的数学分析方法，建立实验设备和大型，精密仪器，分不开的。50年代以来，计算机的不断提高，使分析的方法研究了原始的利用，可以采用数值计算的方法进行的，在这个新的分支计算流体动力学。同时，由于民事和军事生产，流体力学等学科也取得了很大的进步。（2）流体力学应用现状从80年代初期开始才有CFD应用于汽车领域，在这几年之间，其应用已涉及到汽车车身设计、汽车内部空间的空调、发动机内部的气体流动以及冷却系、汽车液力变矩器、废气涡轮增压器中的压气机和涡轮的叶轮与蜗壳等中的流动现象的研究与计算，同时进一步发展到
