排气管路一维稳态热传递计算.pdf

2010年第5期(总第119期)
内燃机与动力装置1.C.E& Powerplant
2010年10月
【模拟计算】
排气管路一维稳态热传递计算
黄世国,张文虎,张俊霞
(奇瑞汽车股份有限公司,安徽芜湖241009
摘要:本文阐述排气管路的一维稳态热传递。在层流和紊流两种流动状态下,对废气和内
管壁的对流换热、以及外管壁与环境的对流换热和輻射换热迸行研究,从而获得一维稳态热传
说的控制方程。最后讨论各种参数对排气温度和管壁温度的影响,例如,管路直径、长度,管壁
周国环境温度等,从而掌握其影响规律
关键词:排气管路;稳定状态;一维计算
中图分类号:TK402文献标志码:A文章编号:1673-6397(2010)05-0033-05
One Dimension Calaton for Sea State Heat Trans er in Enine Exhaust Pipes
HUANG Shi-guo, ZHANG Wen-hu, ZHANG Jun-xia
Chery Automotive Co., Ltd. Wuhu 241009, China)
Abstract: The paper represents a one dimensional calculation for steady-state heat transfer in
engine exhaust pipes. We can obtain the goveming equation for steady-state heat transfer with the
application of heat conservation, heat convection between the exhaust and inner pipe wall, as well as
the heat convection and radiation between the outer pipe wall and the surroundings. In the end, the
effect of parameters on exhaust temperature and pipe wall temperature has been discussed, for exam
ple, diameter and length of pipes environmental temperature around the pipe and so on
Key Words: Exhaust Pipes Steady-state; One Dimension Calculation
2)假设管内气体温度沿着径向温度梯度为
引言
零
排气系统的热管理对于发动机排气管路系统的应
3)假设管外大气气流速度等于车辆的行驶速
用是一个很重要的因素,它主要表现为以下两点:
度与风速的相对值。
(1)这个热行为直接影响管路周围受高温影响的
推导过程
零部件的耐久性;
へ、
(2)影响各种催化器和过滤器的起燃,从而直接影
响发动机的排放。因此,排气管路系统热行为的量化
mn, I m
Td?
研究,对于排气系统的设计尤为重要。
1控制方程的推导
1.1简化过程
(1)排气管厚度与管径相比,相对较小,而且
图1一维稳态管流示意图
般排气总管都为不锈钢材料,它的热传导系数很大,
把图1中,dx所示的控制体区域作为我们的研
导热性能很好,因此,认为管内外壁面的温度相同。究对象。
作者简介:黄世国(1982-),男,江苏人,助理工程师,大学本科,现从事发动机排气系统的设计与研究。
万方数据
内燃机与动力装置
2010年10月
由气体焓的计算方程可知:
的影响因素考虑进来,进行定量的分析管壁温度,和
dh
(1)管内气体温度的变化规律。
然后,对于控制体内的气体应用能量守恒方程,1.2紊流(Re>1000的换热计算
可得出:
对于管中充分发展的素流流动,使用下列计算
m。?dT=-kmd(T-T。)?d
(2)公式(2]
整理后,两边同时积分
Nu =0.027repr 2(m/m)14
「ァ"..(-)血
(3)、心岁 Reynolds Number p为气体密度;u
经化解,可得出
为管中气体速度;η为气体的动力粘度;Pr=c,n/A
T=(Ta-7)?EXP(
?x)+T(4)
为 Prandl Number;。为管壁温度对应的气体动力
粘度。
其中,7为管路入口气体温度;T。为管壁温度;为废
将上述参数带入方程(4)中,可得出
气质量流率;k为对流换热系数,k=ML?(/d);c。为
T=(7。-7.)?EXP-、K?x
T.(6
定压比热容;d为管子内径;D为管子外径。
方程(4)适用于层流和紊流流动状态,但是对
K=0.0372//1 10.8/m )014
于不同的流动状态,将要对Mx数进行不同的讨论。
对于管壁温度T,它同时受管内高温气体与管…3层流(Re<2300)的换热计算
外环境温度的影响。从传热学理论我们可知,对于管
对于管中的层流流动,如在催化器载体内的流
壁有三种方式的热传递:热传导、热对流和热編射动状态,使用下列计算公式
热对流和热。Mu=1.86(RePr)yo(dD)v(/m,)M(8)
对于热传导,正如假设里的讨论,由于管壁相对管径
较小,因此可以忽略热传导的贡献,也即认为管壁在
经化解整理:
径向温度梯度为零。而对于热对流,在管壁内部和外
r=(Tn-T)?EXP/、?x+T
2/3
9
部同时存在,且管壁还存在对环境的热辐射。下面首
先对管壁的热行为进行研究。
K=6.33/)(P)"(x)°
(10)
4层流到薰流过渡区(2300环境温度7
热计算
m, T-
界的热结管外对
层流到寮流的过渡区,流动是不稳定的,没有
T+dt
壁温Tr
任何扰动的话,可能流动是处于层流状态,但是假设
高温气流
管内对
流换热
个微小的扰动,可能就将流动状态激发为紊流流
动。但在工程计算中,这个区域的流动,都按紊流流
动来处理,且使用下列计算公式
图2管路详细热损失过程
(f2)(Re-1000Pr
设管内对流热传递系数为ん1,管外的对流热传
1+12.7(f/2)
1/2
递系数为k2。
当2300则dg1=kT?d(T-7~)
∫可推荐使用如下公式们
dg2=2T?D(T-T
f=0.079Re
·mD(T.-1)
因此,可得
其中,为管壁表面的法向发射率。为斯一玻7=(エー-,)?EXP(-)+.、(2)
尔兹曼常数。
m(/2)(Re-100Pr_(A
根据热暈守恒可得出
K
12.7(/2)2(
k1?d(T-T)=k2?D(T、~T)+
2各种参数对管内气体温度的影响关系
8?