溫度場影響下的某消聲器聲學(xué)性能研究

劉文瑜，羅衛(wèi)東,2

（1.貴州大學(xué) 機械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 明德學(xué)院，貴陽 550025）

車輛排氣消聲器在運行時內(nèi)部溫度可達數(shù)百攝氏度，空氣介質(zhì)的密度、聲速等物理量會隨環(huán)境溫度的變化而變化，這時消聲器的消聲性能就不能作為單一的線性問題來看待。

李國祥等[1]基于傳遞矩陣計算公式使用CFD軟件計算了消聲器的內(nèi)部流場分布情況。夏樹昂等[2]提出了在計算消聲器傳遞損失時應(yīng)該考慮溫度的影響。葛蘊珊等[3]建立了某消聲器的三維模型并分析了聲學(xué)性能，但在分析過程中把內(nèi)部溫度視為一個恒定的值。劉晨等[4]定性計算了無氣體流動和有高溫氣體流動時消聲器的傳遞損失，實驗驗證證明溫度對消聲器的消聲性能有影響。董紅亮等[5]考慮了溫度梯度，把求解集中溫度相近的值視為一個集合，簡化了溫度梯度，并通過軟件計算了溫度對傳遞損失的影響。

總結(jié)上述文章的缺陷，并考慮了某車型怠速工況下排氣過大的特點，使用建模軟件構(gòu)建了某型號消聲器的三維模型并用Hypermesh劃分結(jié)構(gòu)、流體、聲學(xué)網(wǎng)格；利用Fluent做消聲器的流場分析，通過實驗驗證分析的正確性；再利用求解得的溫度場作為邊界條件，在LMS Virtual.Lab中求解在溫度場影響下的消聲器傳遞損失。通過對比數(shù)據(jù)，研究消聲器在溫度梯度影響下的性能變化。

1 消聲器建模及網(wǎng)格劃分

1.1 幾何建模

研究對象為某型號的危險品運輸車，消聲器實物如圖1。搭建的三維模型如圖2。材料屬性如表1所示。

圖1 某型號消聲器

圖2 消聲器三維模型

表1 消聲器材料屬性

1.2 網(wǎng)格劃分

將消聲器三維模型導(dǎo)入Hypermesh進行所需的網(wǎng)格劃分。

為了簡化消聲器結(jié)構(gòu)，流體網(wǎng)格采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格；聲學(xué)網(wǎng)格大小有一定的要求，尺寸大小可由式(1)計算而來：

式中：λ為網(wǎng)格尺寸大??；C為理想空氣的聲速；fMax為聲學(xué)求解的最大頻率。

此次求解最大的頻率為3 000 Hz，所以聲學(xué)網(wǎng)格最大尺寸為18.9 mm，本文取8 mm。劃分好的網(wǎng)格分別導(dǎo)入Fluent和LMS Virtual.Lab，如圖3、圖4。

圖3 流體網(wǎng)格

圖4 聲學(xué)網(wǎng)格

2 溫度場分析與驗證

2.1 溫度場分析

由于此車型在怠速時排氣過大，所以選取怠速工況進行分析，怠速時發(fā)動機轉(zhuǎn)速為800 r/min，代入式(2)可以求得消聲器進口端尾氣速度為6.24 m/s：

式中：Vl為發(fā)動機排量；n為發(fā)動機轉(zhuǎn)速；D為尾氣進口直徑。

在Fluent中分析內(nèi)流場，為了確保湍流需要使用Realizablek-ε模型[6]，這是因為該方程可以很好地進行管內(nèi)流動模擬且能預(yù)測回流區(qū)域并進行提醒。

式中：C2=max(η/5+η,0.43)；C1=1.9；αε=1.2；αk=1.0；μt=ρCμk2/ε；ρ為流體密度的均值；xi、xj為位置向量；ui、uj為流體沿xi、xj方向的速度分量；μ為層流黏度；C1、C2、Cμ為經(jīng)驗常數(shù)。

設(shè)置好Realizablek-ε方程，開啟能量方程，流體區(qū)域設(shè)為不可壓縮空氣，入口采用速度進口邊界，出口采用壓力出口邊界與大氣連通，壁面為無滑移剛性壁，與空氣的對流換熱系數(shù)[7]設(shè)為30 W/m2·℃。

仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。尾氣從進口端流入，在腔體內(nèi)與空氣進行對流換熱，因為尾氣帶有一定的初速度，消聲器右側(cè)壁面無法與進入的高溫尾氣充分接觸，所以導(dǎo)致消聲器右側(cè)壁面出現(xiàn)較低的溫度；在出口端，由于有內(nèi)插管的存在，導(dǎo)致尾氣流出的時候與壁面撞擊產(chǎn)生回流，所以在消聲器左側(cè)壁面會顯示較高的溫度；因為出口管有一定角度的偏轉(zhuǎn)，尾氣排出到大氣時會和偏轉(zhuǎn)的出口管發(fā)生碰撞，導(dǎo)致偏轉(zhuǎn)部位與高溫尾氣充分對流換熱，偏轉(zhuǎn)部分也會呈現(xiàn)較高的溫度。

圖5 XY截面下的溫度場分布

圖6 XY截面下的速度場分布

2.2 仿真準確性驗證

要準確分析消聲器聲學(xué)性能，前提是要保證溫度場求解結(jié)果的準確性，現(xiàn)用測量儀器測量消聲器殼體溫度，并把測量溫度與仿真溫度進行對比。具體實施方案是在消聲器殼體上標記數(shù)個點，每個點測量3次取平均值即為該點的測量值，測量點位圖如圖7所示。數(shù)據(jù)分析見表2。

圖7 實物測量點位圖

將表2繪制成圖，結(jié)果如圖8所示，觀察到實驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)趨勢一致，且最大相對誤差不超過5.1%，驗證了仿真結(jié)果的正確性。

圖8 實驗仿真對比

3 聲場分析

從物理學(xué)角度來看，聲速和聲波波長都是溫度的函數(shù)，表達式可以表示為

式中：c為聲速；c0為0℃時空氣中的聲速，值大小為331.45；T為開氏氣體溫度；λ為波長；f為頻率；t為攝氏溫度。

溫度升高會讓腔體內(nèi)聲波傳遞速度增加、聲波振動頻率變快，直接導(dǎo)致分子摩擦增強從而使聲波衰減變大。根據(jù)萊特希爾理論，提高基礎(chǔ)聲速會導(dǎo)致氣體再生噪聲功率增加，從而影響消聲器消聲性能。

設(shè)置好隨溫度變化的材料后，在消聲器入口處施加單位振動速度邊界條件，出口處設(shè)為無反射邊界條件，從1 Hz計算到3 000 Hz，步長為1 Hz，可以計算出各頻率的消聲器內(nèi)部聲壓分布。由于此消聲器的入口處和出口處面積相同，所以傳遞損失可以有以下推導(dǎo)[8]：

表2 數(shù)據(jù)對比

式中：Win、Wout為入、出口平面聲波的聲功率；p1、p2為入、出口的聲壓；Ain、Aout為入、出口的截面積。

軟件中有相應(yīng)的耦合操作界面，對于幾何形狀相同、網(wǎng)格尺寸不同、節(jié)點不重合的多個網(wǎng)格模型，可以由插值計算來實現(xiàn)耦合多個網(wǎng)格進行計算[9]。映射關(guān)系可以定義為目標節(jié)點為圓心的一個半徑值，在這個范圍內(nèi)進行差值：

式中：PTarget為目標節(jié)點值；Wi為加權(quán)值為源節(jié)點值；di為目標節(jié)點與源節(jié)點的距離。

先求解常溫常壓下的消聲器傳遞損失，再將求解到的內(nèi)流場文件導(dǎo)入LMS Virtual.Lab中，用網(wǎng)格映射法把聲學(xué)網(wǎng)格和流體網(wǎng)格耦合起來，圖9是求解后的各頻率聲壓圖。

從圖9可以觀察到在200 Hz、2 000 Hz時，消聲器的聲壓分布已有明顯的變化，這是由于溫度梯度的存在影響了空氣的物理性質(zhì)，直接導(dǎo)致消聲器的傳遞損失發(fā)生變化。

圖9 聲壓圖

然后自定義函數(shù)計算出在溫度場影響下的傳遞損失。將結(jié)果繪制成圖10。

由圖10可以看到：在溫度場的影響下，傳遞損失對應(yīng)的頻率會往高頻移動，且在2 680 Hz左右出現(xiàn)峰值；低頻段消聲效果減弱，整體衰減約2 dB～3 dB，高頻端消聲效果有增強，整體增大約23 dB。

圖10 仿真結(jié)果

有研究表明抗性消聲器有穿孔結(jié)構(gòu)的穿孔率和穿孔徑大小在低頻段會影響消聲器的傳遞損失[10]。在有溫度影響下該消聲器低頻段的消聲性能減弱，若消聲器噪聲能量集中在低頻段，則在對該消聲器進行優(yōu)化設(shè)計時可以考慮添加帶穿孔的隔板或?qū)M出口內(nèi)插管進行穿孔處理，通過調(diào)整穿孔率和穿孔徑大小就可以增強低頻段消聲器的消聲性能，達到改善溫度效應(yīng)的目的。

4 結(jié)語

通過對消聲器內(nèi)流場和聲學(xué)性能的仿真計算，可以得到如下結(jié)論：

（1）用仿真結(jié)合實驗的方法，測量了消聲器殼體的溫度，數(shù)據(jù)對比誤差不超過5.1%，證明了消聲器內(nèi)流場仿真計算的正確性，為后面溫度場影響下的消聲器聲學(xué)性能的研究奠定了基礎(chǔ)。

（2）網(wǎng)格映射的方法耦合了溫度場和聲學(xué)網(wǎng)格，精確定義了各節(jié)點空氣的物理性質(zhì)，更貼近實際地考慮了溫度對消聲器聲學(xué)性能的影響。關(guān)于氣體流速對消聲器消聲性能的影響，已經(jīng)有眾多學(xué)者做了相關(guān)研究，氣體流速對消聲器消聲性能的影響實則不大，在此就不一一贅述。

（3）通過常溫常壓和溫度場影響下的消聲器傳遞損失對比圖可知，溫度會較大程度地影響消聲器消聲性能，且會使消聲器整體消聲頻率往高頻移動，低頻段消聲量降低，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計過程中不可忽視溫度因素，且要重點關(guān)注低頻段。