基于計(jì)算流體力學(xué)車輛抗性消聲器結(jié)構(gòu)分析

范 芳，張竹林

（1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610218；2.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

汽車排氣噪聲是重要的環(huán)境污染來源，直接影響到汽車能否正常的上市銷售。消聲器是重要的降噪設(shè)備，而在實(shí)現(xiàn)噪聲控制的同時(shí)，也會(huì)增加排氣系統(tǒng)的排氣背壓，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率造成一定的損失[1]。因此，合理的消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)二者之間的平衡，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排控制噪聲的目標(biāo)。因此，采用CFD和試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)[2]采用貼體網(wǎng)格法對(duì)消聲器進(jìn)氣管道內(nèi)的廢氣流動(dòng)進(jìn)行場分析；文獻(xiàn)[3]采用粒子阻滯技術(shù)，對(duì)廢氣流過消聲器時(shí)的流動(dòng)狀況進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[4]采用任意拉格朗日-歐拉法，對(duì)消聲器的管內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)可壓縮湍流數(shù)值模擬；文獻(xiàn)[5]采用試驗(yàn)法對(duì)進(jìn)氣流量對(duì)消聲器降噪水平進(jìn)行分析。

根據(jù)抗性消聲器的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果對(duì)消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)擴(kuò)張室、共振腔室和整體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于某款發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；基于CFD建模仿真，對(duì)消聲器的壓損進(jìn)行對(duì)比分析；基于消聲器試驗(yàn)臺(tái)對(duì)消聲器消聲效果和聲頻等性能進(jìn)行分析。

2 消聲器設(shè)計(jì)

工程車輛工作環(huán)境惡劣，排氣噪聲主要為中低頻噪聲，抗性消聲器對(duì)此類噪聲的降噪作用明顯?？剐韵暺靼〝U(kuò)張室、共振腔室、微穿孔板室等部分[6]，廣泛應(yīng)用于中低頻噪聲的降噪設(shè)備中。這里對(duì)此形式的消聲器進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 消聲器容積

美國Nelson消聲器公司推薦的消聲器容積Ve計(jì)算公式為[7]：

式中：Q—常數(shù)，用于汽車消聲器；n—內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速；Vh—發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；i—發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸數(shù)；τ—發(fā)動(dòng)機(jī)沖程數(shù)。

2.1.2 消聲器擴(kuò)張比

消聲器擴(kuò)張比m對(duì)最大消聲量有重要的影響，m值越大，最大消聲量越大。當(dāng)消聲器的膨脹比m＞5時(shí)，膨脹腔的最大消聲量Lmax=20lg m-6。

2.1.3 消聲器進(jìn)口直徑

進(jìn)口直徑Di為：

式中：Q—進(jìn)口處排氣流量；Vmax—允許最大氣流流速?？赏ㄟ^發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量Qi進(jìn)行估算：

式中：φc—充量系數(shù)。

則，排氣流量為：

式中：Tb—進(jìn)口處排氣溫度；Ts—進(jìn)氣溫度；φ取0.98；

消音器的進(jìn)口直徑一般采用與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管到消音器進(jìn)口端的管道的直徑相等的設(shè)計(jì)方法[8]。

2.1.4 消聲器直徑

Dm表示為：一般消聲器的直徑根據(jù)需要盡量取的大些。

2.1.5 消聲器長度

長度L可表示為：

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，可知：

2.1.6 控制消聲器出口氣流速度

氣流速度寫作：

式中：V—?dú)饬魉俣?；Q—排氣流量；D—排氣口直徑。

2.1.7 消聲器類型和級(jí)數(shù)的確定

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣頻譜，確定消聲器所要消除頻率段的噪聲。從而確定級(jí)數(shù)。

2.1.8 消聲器每個(gè)腔大小的確定基頻噪聲為：

輻射的聲功率為：

式中：K—比例常數(shù)；ρ—?dú)怏w密度；v—?dú)饬魉俣龋籑—馬赫數(shù)。

2.2 共振腔設(shè)計(jì)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲在（100～200）Hz時(shí)有峰值，可以設(shè)計(jì)一個(gè)共振腔消除這個(gè)頻率段的噪聲。假設(shè)在中心頻率為125Hz的倍頻帶上有15dBA的消聲量，由公式：ΔL=10lg（1+2k2），計(jì)算得k取4。

共振腔的容積為：

同時(shí)，可計(jì)算得共振腔的長度l。

共振腔的傳導(dǎo)率：

傳導(dǎo)率是一個(gè)具有長度量綱的物理量，定義為頸孔的截面積與頸的有效長度之比[9]。

式中：S—穿孔截面積；t—穿孔板厚度；d—孔徑。

管的壁厚和小孔的直徑可以根據(jù)現(xiàn)場情況給出[10]。根據(jù)公式：

可求得所開孔數(shù)為n，孔的位置可以在腔內(nèi)均勻排列。

2.3 擴(kuò)張腔設(shè)計(jì)

單節(jié)擴(kuò)張室消聲器消聲量的計(jì)算：

當(dāng)kl＝π/2的奇數(shù)倍時(shí)，消聲量達(dá)到最大值。

首先確定擴(kuò)張室的最大消聲頻率，由此確定長度：

根據(jù)要求的消聲值，確定擴(kuò)張比。知道進(jìn)氣口管徑，可以求得擴(kuò)張室的截面S1，以及擴(kuò)張室的直徑D。

同時(shí)也要驗(yàn)算消聲器的截止頻率：

式中：c—聲速。

擴(kuò)張室有效消聲的下限頻率：

式中：S—連接管的截面積；V—擴(kuò)張室的容積；l—聯(lián)接管的長度。

2.4 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

典型的單節(jié)擴(kuò)張室消聲器對(duì)一些頻率不起作用，相應(yīng)的頻率被稱為通過頻率。如果采用內(nèi)插管結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。一端插入擴(kuò)張部分長度的1/4，一端插入1/2，那么就可以衰減一部分通過頻率。

為了改善空氣動(dòng)力性能，對(duì)消聲器的頻率消聲性能影響不大，也可以將內(nèi)插接入管用穿孔管連接起來，如圖1（b）所示。要求穿孔管的穿孔率在30%以上。

圖1 單節(jié)擴(kuò)張室結(jié)構(gòu)Fig.1 Single Expansion Chamber Structure

根據(jù)以上原則，設(shè)計(jì)出的適用于所研究車輛的消聲器模型，如圖2所示。

圖2 消音器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Silencer Structure

圖中所示消聲器進(jìn)出口管的內(nèi)徑為124mm，外徑140mm，消音器直徑為350mm，長度為1200mm，擴(kuò)張比為2.5，均滿足上述設(shè)計(jì)要求。所設(shè)計(jì)消聲器三維模型圖，如圖2（b）所示。

3 消音器流體動(dòng)力學(xué)模擬

利用CFD軟件，對(duì)消音器進(jìn)行三維建模而后進(jìn)行流場分析，獲得我們關(guān)心的壓力損失與流場速度壓力分布情況。對(duì)于有限元模擬的三個(gè)步驟，建模，劃分網(wǎng)格都很容易，網(wǎng)格模型，如圖3所示。在消音器的模擬過程中最值得一提的是穿孔板多孔介質(zhì)的設(shè)置，采用了porous-jump定義其邊界條件，既很好的模擬了多孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)又避免了過大的模型對(duì)模擬的不利影響。

圖3 消聲器三維模型網(wǎng)格Fig.3 Muffler 3D Model Mesh

設(shè)置好各種條件后計(jì)算，經(jīng)230步迭代完成計(jì)算，殘差，如圖4（a）所示。得到此消聲器的壓力損失圖，如圖4（b）所示。速度云圖，如圖4（c）所示。

圖4 流場分析結(jié)果Fig.4 Flow Field Analysis Result

由圖可知，消聲器內(nèi)氣體分布均勻，無明顯的負(fù)壓區(qū)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理。消音器進(jìn)出口壓力的情況，壓力損失為1802.38Pa，如表1所示。

表1 消音器進(jìn)出口壓力Tab.1 Muffler Inlet and Outlet Pressure

由表1中對(duì)比結(jié)果可知，理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果誤差在3%以內(nèi)，二者的分析結(jié)果基本一致。表明模擬分析的可行性。

4 消音器試驗(yàn)分析

根據(jù)《聲學(xué)消聲器測量方法GB/T4760—1995》的要求，建立消聲器實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖，如圖5所示。測試時(shí)，采用噪聲采集儀在出入口中心1m左右的位置進(jìn)行測量。

圖5 消聲器試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Muffler Test Bench

調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使得風(fēng)機(jī)的風(fēng)量從小到大依次增加，直至最大值，測試整個(gè)過程中，消聲器進(jìn)出口位置的噪聲分布，如圖6所示。計(jì)算得到傳遞功率損失隨頻率變化，如圖7所示。由圖6進(jìn)出口統(tǒng)計(jì)可知，消聲器的降噪效果明顯，入口處噪聲在80dBA，而經(jīng)過消聲器降噪之后，主要在55dBA。圖7的功率損失可知，在中低頻帶消聲效果明顯，尤其是在100Hz、900Hz和（1700～2200）Hz等，損失大，消聲效果好，符合此類消聲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，表明設(shè)計(jì)是合理的。

圖6 消聲器進(jìn)出口噪聲分布Fig.6 Noise Distribution of the Muffler Inlet and Outlet

圖7 傳遞功率損失Fig.7 Transfer Power Loss

5 結(jié)論

根據(jù)抗性消聲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)擴(kuò)張室、共振腔室和整體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于CFD和試驗(yàn)臺(tái)對(duì)消聲器性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果可知：

（1）消聲器進(jìn)出口管的內(nèi)徑為124mm，外徑140mm，消音器直徑為350mm，長度為1200mm，擴(kuò)張比為2.5，均滿足上述設(shè)計(jì)要求；

（2）流場分析表明，消音器進(jìn)出口壓力損失為1802.38Pa，設(shè)計(jì)值為1780Pa，二者之間的誤差小于2%；

（3）試驗(yàn)表明消聲器的降噪效果明顯，入口處噪聲在80dBA，而經(jīng)過消聲器降噪之后，主要在55dBA。在中低頻帶消聲效果明顯，尤其是在100Hz、900Hz和（1700～2200）Hz等，損失大，消聲效果好，符合此類消聲器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，表明設(shè)計(jì)是合理的。為此類設(shè)計(jì)提供重要參考。