基于Fluent的FSAE賽車消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

于 淵，師忠秀，柳 威，趙江華

（青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引言

汽車的主要噪聲來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)，而排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要組成部分，安裝排氣消聲器是控制排氣噪聲的有效方法。消聲器在降低噪聲的同時(shí)，會(huì)增加排氣阻力，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能，因此，對(duì)排氣消聲器內(nèi)部氣流的流動(dòng)特性進(jìn)行研究就顯得十分重要［1，2］。本文采用CFD軟件Fluent對(duì)消聲器仿真模型進(jìn)行模擬分析，就排氣消聲器內(nèi)部流場(chǎng)變化情況對(duì)其壓力損失的影響進(jìn)行研究。

1 消聲器分析模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)控制方程

消聲器中的氣流流動(dòng)是可壓、黏性三維湍流流動(dòng)，滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程［3－5］。

質(zhì)量守恒方程為：

其中：ρ為密度；t為時(shí)間；u，v，w分別為速度矢量U在x，y，z方向的分量。

動(dòng)量守恒方程為：

其中：p為流體微元體上的壓力；τij（i，j＝x，y，z）為因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ的分力；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z為微元體上的體力。

能量守恒方程為：

其中：cv為比熱容；T為溫度；k為流體的傳熱系數(shù)；ST為內(nèi)熱源以及由于摩擦作用使流體機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

這些物理守恒定律可以用控制方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，其通用變量方程為：

其中：Φ為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；SΦ為廣義源項(xiàng)。

1.2 計(jì)算模型

在三維CAD軟件SolidWorks中建立消聲器三維實(shí)體模型，如圖1 所示，導(dǎo)入到Fluent前處理軟件Gambit中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為提高網(wǎng)格劃分效率，本文采用四面體網(wǎng)格劃分。計(jì)算中采用SIMPLEC算法求解控制方程，應(yīng)用Realizable湍流模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬，方程的離散方式采用二階迎風(fēng)格式［6］。

1.3 邊界條件

（1）將入口設(shè)置為速度進(jìn)口，入口速度根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的排量和轉(zhuǎn)速確定，本賽車使用的是容量為600cm3的四沖程四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)式（5）［7］確定排氣消聲器入口的氣流速度v（m／s）：

其中：Q為排氣流量，L／s；D為進(jìn)氣口直徑，mm。排氣流量Q（L／s）的計(jì)算公式如下：

其中：Qi為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量，L／s；Tb為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度，℃；Ts為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，℃。

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量Qi（L／s）的估算公式為：

其中：n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min；Vm為發(fā)動(dòng)機(jī)總排量，L；φc為充量系數(shù)，一般取0.86。

（2）將出口設(shè)置為壓力出口，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101 325Pa。

圖1 消聲器的三維實(shí)體模型

2 消聲器內(nèi)部流場(chǎng)分析

由消聲器速度云圖（見(jiàn)圖2 ）可以看出：氣體從進(jìn)氣管進(jìn)入A腔，氣體的主流經(jīng)過(guò)內(nèi)管1進(jìn)入C腔，部分氣體經(jīng)過(guò)內(nèi)管1表面的穿孔進(jìn)入B腔；氣體進(jìn)入C腔后，經(jīng)過(guò)穿孔內(nèi)管2到達(dá)排氣管，這就是整個(gè)排氣過(guò)程。由壓力云圖（見(jiàn)圖3 ）可知，氣流在經(jīng)過(guò)各腔體的時(shí)候都會(huì)有壓降，但是腔內(nèi)部的壓力變化相對(duì)比較小，由此可以看出，造成壓力降低的原因是氣流在經(jīng)過(guò)內(nèi)插管的過(guò)程中發(fā)生摩擦和碰撞，從而使得壓力損失；在消聲器的出口處由于氣流經(jīng)過(guò)直徑較小的孔截面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)明顯壓降。

圖2 消聲器速度云圖

圖4 為消聲器速度矢量圖，圖5 為消聲器湍動(dòng)能圖?？梢钥闯觯?dāng)氣流由管進(jìn)入腔體內(nèi)，流動(dòng)截面由小變大會(huì)導(dǎo)致流速減小。一方面，當(dāng)氣流由進(jìn)氣管進(jìn)入A腔時(shí)，氣流流動(dòng)截面由小變大，氣流本身的慣性使其本身不能依照A腔的形狀突然擴(kuò)大，而是逐漸擴(kuò)大，在A腔的拐角處受到管壁的阻擋，氣流反折形成渦旋；另一方面，氣流從小截面內(nèi)管1流出進(jìn)入大截面C腔，在C腔的拐角處常有漩渦形成，會(huì)干擾氣流的流動(dòng)狀態(tài)。C腔的氣流要經(jīng)過(guò)內(nèi)管2流出，內(nèi)管上的孔徑較小，氣流流動(dòng)的截面由大變小，流束收縮，由于流體的本身慣性，使流體繼續(xù)收縮，達(dá)到縮頸之后又慢慢擴(kuò)大，充滿整個(gè)截面。

圖3 消聲器壓力云圖

圖4 消聲器速度矢量云圖

圖5 消聲器湍動(dòng)能圖

在氣流經(jīng)過(guò)內(nèi)管1進(jìn)入腔B以及腔C的氣流要經(jīng)過(guò)內(nèi)管2流出時(shí)，氣流經(jīng)過(guò)穿孔管會(huì)引起摩擦，此過(guò)程伴隨著能量消耗，增加了流體湍動(dòng)和壓力損失；在渦流區(qū)中，流體的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)、回流，對(duì)主流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中渦旋會(huì)消耗主氣流的能量，導(dǎo)致壓力和能量的減少，增加消聲器的壓力損失。

3 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)

由速度矢量圖和湍動(dòng)能圖可知，氣流在A腔、C腔和內(nèi)管1內(nèi)有渦流存在，內(nèi)管1的渦流會(huì)擾亂A腔和C腔之間的氣流傳遞流動(dòng)，渦流的存在不僅使局部壓力損失增大，對(duì)排氣背壓也非常不利。較強(qiáng)的渦流還會(huì)導(dǎo)致再生噪聲的生成，渦流產(chǎn)生的再生噪聲聲功率與氣體流速的6次方成正比［8］；當(dāng)氣流速度高到一定程度時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生噴氣噪聲，其聲功率與氣體流速的8次方成正比［9］。另外，進(jìn)口段及出口段的渦流也會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失，在實(shí)際工程中應(yīng)盡量避免。因此，在消聲器設(shè)計(jì)改型時(shí)，應(yīng)盡量避免這幾處渦流的產(chǎn)生，主要是在內(nèi)管1入口處和進(jìn)氣管出口處進(jìn)行改進(jìn)。圖6 為改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)對(duì)比。

針對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將內(nèi)管1在A腔的伸長(zhǎng)部分去掉，在端面導(dǎo)錐角，將進(jìn)氣管內(nèi)插部分的截面改成斜截面，以此來(lái)增加導(dǎo)流效果。對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場(chǎng)分析，結(jié)果如圖7 ～圖9所示。

圖6 改進(jìn)前、后結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖7 改進(jìn)后消聲器的壓力云圖

圖8 改進(jìn)后消聲器的速度云圖

由圖7 ～圖9可以看出，改進(jìn)后消聲器各腔的壓力分布更加趨于穩(wěn)定；由于改進(jìn)結(jié)構(gòu)的作用，內(nèi)管和腔內(nèi)氣流流動(dòng)平穩(wěn)；進(jìn)口段及出口段的渦流強(qiáng)度減弱，湍動(dòng)能降低，對(duì)主流流動(dòng)不會(huì)造成實(shí)質(zhì)性影響。改進(jìn)結(jié)構(gòu)有效地消除了渦流產(chǎn)生的可能性，使傳遞壓力的損失減小，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的能量消耗降低，符合改進(jìn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)排氣系統(tǒng)消聲器進(jìn)行了流場(chǎng)的模擬，仔細(xì)分析其內(nèi)部的流場(chǎng)特征，并根據(jù)流場(chǎng)的分析云圖找到消聲器產(chǎn)生渦流和壓力損失的部位，分析原因并提出改進(jìn)方案，從改進(jìn)后的分析結(jié)果看出，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)有效地抑制了消聲器內(nèi)部的渦流形成，減少了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣過(guò)程中的壓力損失，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的能量消耗。

圖9 改進(jìn)后消聲器的湍動(dòng)能圖

［1］劉鵬飛，畢傳興.汽車消聲器聲學(xué)性能及流場(chǎng)特性數(shù)值分析［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2009，35（4）：99-102.

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［5］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

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［7］《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì).汽車工程手冊(cè) 設(shè)計(jì)篇［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［8］劉鵬飛，畢傳興.汽車消聲器聲學(xué)性能及流場(chǎng)特性數(shù)值分析［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2009，35（4）：99-102.

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