随着发动机强化程度越来越高，其零部件的热负荷与机械负荷也在不断增大；发动机排气歧管长期处于激热、激冷交变状态下，并还承受随发动机振动而产生的附加惯性力作用，其工作环境十分恶劣。如果排气歧管局部受热过高，或者热量不能及时散发，轻则导致排气歧管局部变形，重则导致排气歧管开裂或者断裂，最后导致发动机无法正常工作。另外，发动机排气系统的流动性能和热力学性能也直接影响发动机的动力性、经济性和排放特性，因此对其研究的需求日益提高。排气歧管热负荷和热强度问题的解决常常是提高整个排气系统技术水平的关键，直接影响着发动机排气系统的工作可靠性和耐久性。以往的研究只是针对整体排气歧管进行热应力计算和整体结构的改进优化，并没有具体分析某一结构变化对排气歧管流场与热应力的影响规律。本文以某四缸增压汽油机排气歧管为研究对象，基于流固耦合的热分析方法，通过解决其在冷热冲击试验中发生疲劳断裂的问题来更进一步揭示不同结构对排气歧管流场与热应力的影响规律，并提出了排气歧管模拟研究中的新方法。本文的主要研究内容和结论如下：1.建立排气歧管流固耦合仿真模型。首先根据厂家提供的发动机设计参数，利用一维性能仿真软件GT-POWER对发动机进行一维仿真计算，并将其输出的结果作为CFD计算的边界条件，然后通过STARCCM+软件计算得到排气歧管内、外表面的热边界条件；再通过有限元软件ABAQUS计算整体排气歧管的温度场分布，最后以温度场为热载荷计算排气歧管的热应力分布和热变形，并与排气歧管实际裂纹处进行比较。结果表明出现裂纹处均是热应力较大且集中的区域，说明此排气歧管发生疲劳破坏是由于热应力较大所致。2.验证流固耦合仿真模型温度场。为全面了解排气歧管工作时的温度情况，并为仿真分析提供验证依据，建立了排气歧管温度测试试验台。利用红外热像仪测量发动机在全负荷不同转速下的排气歧管上表面温度，再通过布置热电偶的方式，测量发动机在相同工况下排气歧管内部流过的废气温度以及排气歧管外壁面温度；并将试验结果与模拟结果进行比较。结果发现温度分布趋势及范围一致，最大误差为4.3%，在允许误差范围内，说明所建立的流固耦合仿真模型较为准确，可以应用于后续的仿真研究和排气歧管开发设计中。3.排气歧管整体结构改进以解决疲劳断裂问题。运用所建立的流固耦合仿真计算模型对原始排气歧管结构的流场及热应力进行研究分析，发现其流动均匀性及流通性均较差，且热应力分布不均匀，导致疲劳断裂。针对此种情况，对原始结构进行了三次改进。其中，改进结构1与改进结构2虽然在流动性与热应力方面得到一些改善，但效果不明显，仍存在热应力过大导致开裂的现象；改进结构3是将排气歧管四合一结构变为四二合一结构，并经过计算得出其性能要好于前述结构，并且此模型在试验中没有发生疲劳破坏，说明此四二合一结构的排气歧管可以满足发动机的正常工作需要。4.局部结构变化对排气歧管影响规律的研究。在整体模型研究的基础上针对排气歧管4种局部结构分别进行研究，分析单个支管的弯曲半径不同、相交支管的相交角度不同及凹槽深度不同时的两种不同局部结构流场及热应力的变化。（1）对弯曲半径分别为52mm、57mm、62mm、67mm和72mm的5个支管进行仿真研究分析，得出压力损失、温度和热应力均随着弯曲半径的增大而增加的结论。（2）对相交角度分别为45.6°、50.5°、54.3°、57.4°和60.0°的局部支管进行研究分析。可知，随着相交角度的增大，局部支管的压力损失也相应增大，而热应力并未随其变化，但经过分析可知相交角度为50.5°和57.4°时热应力相对较小。（3）选取当凹槽深度分别为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm和3mm的两种不同结构的局部支管进行研究。可知随着凹槽深度的增加，结构1与结构2的结构变化处最大热应力与热应力最大差值均逐渐增大；两种情况对比时，发现当凹槽深度≤2mm时，热应力及其最大差值是结构2大于结构1，而当凹槽深度＞2mm时，只有外壁面热应力最大值和最大差值为结构1大于结构2，其余热应力大小基本上还是结构2大于结构1。所以在设计排气歧管时，尽量使凹槽深度越小越好，如两种形状均可，则尽量选择内壁面平滑的方式即结构1。5.进行了基于响应面法的排气歧管外形多因素优化设计。利用响应面法试验优化设计方法，以出口及支管与稳压腔相交的融合曲面滚动球半径为设计参数，运用稳态CFD流场分析，通过Design-Expert试验优化设计软件得出设计参数的影响规律，并总结得出较为理想的设计方案。优化后两个指标均有不同程度的提高，流通性和流动均匀性得到明显改善。