基于CFD仿真和試驗(yàn)的抗性消聲器研究.pdf

1、本論文用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和試驗(yàn)法研究抗性消聲器的流體動(dòng)力學(xué)特性和消聲特性。研究工作包括：抗性消聲器的壓力損失隨消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件的變化規(guī)律；用試驗(yàn)法驗(yàn)證CFD法計(jì)算抗性消聲器壓力損失的有效性；用頻譜分析法研究所設(shè)計(jì)的抗性消聲器產(chǎn)品的消聲特性，結(jié)合抗性消聲器的流體動(dòng)力學(xué)特性研究抗性消聲器的綜合性能。本論文主要目的是提供一個(gè)基于CFD仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的抗性消聲器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過在設(shè)計(jì)中綜合考慮流體動(dòng)力學(xué)特性和聲學(xué)特性提

2、高抗性消聲器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。 抗性消聲器是控制內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲的主要技術(shù)措施。大量柴油機(jī)汽車和工程機(jī)械應(yīng)用，所帶來的噪聲問題已成為環(huán)境污染的重要問題之一，作為主要噪聲源之一的排氣噪聲一直是降低柴油機(jī)噪聲的研究重點(diǎn)。衡量抗性消聲器的性能指標(biāo)主要包括：插入損失、壓力損失、裝配性能、結(jié)構(gòu)工藝性和使用壽命。插入損失就是在給定測(cè)點(diǎn)處安裝消聲器前后聲壓級(jí)之差，代表消聲器的消聲性能。壓力損失代表發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失比，就是在消聲器工作過程中，輸入管和輸

3、出管內(nèi)的平均全壓差。消聲器的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到汽車或工程機(jī)械的安裝尺寸的限制，在規(guī)定的安裝空間限制下，消聲器產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)在良好加工工藝性的基礎(chǔ)上，滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。 抗性消聲器研究涉及聲學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、傳熱和機(jī)械設(shè)計(jì)等技術(shù)領(lǐng)域。聲學(xué)性能一直是抗性消聲器的研究重點(diǎn)，傳統(tǒng)的消聲器聲學(xué)性能研究主要是基于一維聲波理論的傳遞矩陣法，該方法適用于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)消聲器，但不能有效的表達(dá)復(fù)雜的三維空間的聲波傳播。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的不斷發(fā)展

4、和相關(guān)算法的不斷進(jìn)步，消聲器聲學(xué)研究從單純的傳遞矩陣算法逐漸發(fā)展到邊界元法和有限元算法，使消聲器聲學(xué)方面的計(jì)算精度越來越高，特別是在計(jì)算聲學(xué)出現(xiàn)之后，消聲器聲學(xué)特性分析也經(jīng)歷了從一維平面波到三維立體聲波的計(jì)算過程，仿真結(jié)果也越來越趨向于實(shí)際抗性消聲器的聲學(xué)特點(diǎn)。 傳統(tǒng)的抗性消聲器壓力損失計(jì)算采用基于流體力學(xué)理論的半經(jīng)驗(yàn)公式法。抗性消聲器是由突然擴(kuò)大和突然縮小結(jié)構(gòu)組合而成的粗短腔，且流速較高，利用半經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算壓力損失精度不高，

5、對(duì)于穿孔類等復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器的壓力損失計(jì)算更為困難。計(jì)算流體力學(xué)的出現(xiàn)，提供了一個(gè)新的研究抗性消聲器流體動(dòng)力學(xué)方法，可以利用流體動(dòng)力學(xué)的基本理論公式，采用有限體積法仿真分析消聲器內(nèi)部流體的動(dòng)力學(xué)特性，得到消聲器內(nèi)部流體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，求出消聲器的壓力損失。本論文主要目的是尋求在抗性消聲器的設(shè)計(jì)階段就能有效計(jì)算消聲器壓力損失的方法，和消聲器的聲學(xué)特性結(jié)合起來，為消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供幫助。本論文研究?jī)?nèi)容包括：消聲器內(nèi)流場(chǎng)幾何建模、有限體積

6、法網(wǎng)格劃分、邊界條件確定、求解算法選擇、CFD仿真分析和數(shù)據(jù)后處理等完整的消聲器流體動(dòng)力學(xué)分析和壓力損失計(jì)算過程。研究中采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法對(duì)較復(fù)雜消聲器進(jìn)行劃分，在保證計(jì)算精度的前提下，盡可能減小計(jì)算量，提高計(jì)算速度。 通過對(duì)單腔消聲器流場(chǎng)仿真，分析了消聲器在入口流速不同時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)的特點(diǎn)。在流速比較低的時(shí)候，流體經(jīng)過突然擴(kuò)大和突然縮小結(jié)構(gòu)后能夠充分釋放，此時(shí)用半經(jīng)驗(yàn)公式法和CFD法計(jì)算消聲器壓力損失結(jié)果相差

7、很小。隨著流速增加，進(jìn)入到消聲器的流體沒有經(jīng)過充分釋放就排出體外，此時(shí)半經(jīng)驗(yàn)公式法不再適用于計(jì)算抗性消聲器的壓力損失。空氣的密度和粘度等物理特性受溫度影響比較大，研究結(jié)果表明：在相同的流速下，消聲器的壓力損失隨溫度的升高而減小。 研究了單膨脹腔消聲器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件對(duì)消聲器壓力損失的影響規(guī)律。其中研究的非穿孔管單腔消聲器單元包括：無內(nèi)插管單腔消聲器、帶內(nèi)插管單腔消聲器、無內(nèi)插管偏置單腔消聲器和帶內(nèi)插管偏置單腔消聲器。這四

8、種單腔消聲器的壓力損失均隨著流速的升高而增大；無內(nèi)插管單腔消聲器和帶內(nèi)插管單腔消聲器的壓力損失還隨著膨脹腔的長(zhǎng)度而增加，內(nèi)插管使消聲器的壓力損失減?。粺o內(nèi)插管偏置消聲器和帶內(nèi)插管偏置消聲器的壓力損失受膨脹腔的長(zhǎng)度和有無內(nèi)插管的影響程度比較??；其他條件相同時(shí)，輸入/輸出管偏置消聲器的壓力損失大于輸入/輸出管同軸消聲器的壓力損失。 研究了兩種非穿孔管雙膨脹腔消聲器中間擋板位置對(duì)壓力損失的影響。對(duì)于內(nèi)插管偏置雙腔消聲器和無內(nèi)插管非偏置

9、雙腔消聲器，中間擋板的位置對(duì)消聲器的壓力損失影響都比較小。雙腔消聲器的壓力損失基本上等于兩個(gè)相當(dāng)結(jié)構(gòu)的單腔消聲器在相同邊界條件下的壓力損失之和。該研究結(jié)果，為以后多腔消聲器的壓力損失預(yù)測(cè)提供了依據(jù)。在多種形式的穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)中，選擇了兩種具有代表性的直流穿孔管單腔和橫流穿孔管單腔消聲器進(jìn)行了分析討論。直流穿孔管消聲器的壓力損失隨穿孔率、膨脹腔長(zhǎng)度和入口流速的增加而增大，穿孔率越大壓力損失的增加越緩慢。橫流穿孔管消聲器的壓力損失隨著穿孔

10、率的增加而降低，當(dāng)穿孔率小于下閾值時(shí)，壓力損失隨著穿孔率的降低急劇上升，當(dāng)超過上閾值時(shí)，壓力損失隨穿孔率的增加緩慢降低，消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，穿孔率應(yīng)該控制在兩個(gè)閾值之間。在穿孔率相同的情況下，橫流穿孔管消聲器的膨脹腔越短，壓力損失越大。穿孔管的穿孔直徑對(duì)消聲器壓力損失的影響比較小，在消聲器設(shè)計(jì)的時(shí)候可以僅考慮聲學(xué)因素。橫流穿孔管消聲器的壓力損失遠(yuǎn)大于非穿孔管消聲器和直流穿孔管消聲器。仿真結(jié)果還表明，穿孔管消聲器的流體動(dòng)力學(xué)特性強(qiáng)于非穿孔類消聲

11、器。 在現(xiàn)有抗性消聲器聲學(xué)結(jié)論的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)單腔消聲器的流體動(dòng)力學(xué)研究成果，設(shè)計(jì)了挖掘機(jī)抗性消聲器產(chǎn)品和五種典型的抗性消聲器結(jié)構(gòu)。針對(duì)柴油機(jī)消聲器工作溫度高和流體速度快的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化消聲器的工作條件，確定了復(fù)合抗性消聲器仿真的邊界條件。通過建模、網(wǎng)格劃分和仿真分析，求出消聲器的流體動(dòng)力學(xué)特性，并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出消聲器的壓力損失。 進(jìn)行了消聲器的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，主要測(cè)量消聲器的輸入/輸出口的全壓、靜壓和輸入口流速

12、。其中消聲器的入口流速作為消聲器CFD計(jì)算的邊界條件，輸入/輸出口的全壓和靜壓用來計(jì)算消聲器的壓力損失。通過試驗(yàn)和CFD仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文用仿真方法計(jì)算抗性消聲器壓力損失的有效性。 進(jìn)行了某挖掘機(jī)空載情況下的噪聲信號(hào)采集，采集的噪聲信號(hào)主要包括：柴油機(jī)殼體輻射噪聲、柴油機(jī)排氣噪聲和抗性消聲器的排出噪聲；柴油機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的噪聲源噪聲和消聲器排出噪聲；所設(shè)計(jì)消聲器和參考消聲器產(chǎn)品的排出噪聲。通過分析發(fā)動(dòng)機(jī)殼體輻射噪聲、柴油機(jī)排

13、氣噪聲和消聲器排出噪聲的頻譜特性，得出實(shí)際測(cè)量得到的抗性消聲器排出噪聲信號(hào)在某些頻段消聲效果不佳的原因是受柴油機(jī)殼體輻射噪聲的干擾的結(jié)論。柴油機(jī)的排氣噪聲在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的頻譜特性相似，排氣噪聲的強(qiáng)度隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的加快而增大，抗性消聲器的消聲量也隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高而增大。通過對(duì)比分析六種抗性消聲器產(chǎn)品排出噪聲的頻譜特性和插入損失結(jié)果，得出結(jié)論：膨脹比影響消聲器的消聲效果，膨脹比越大，消聲效果越好；穿孔管抗性消聲器對(duì)柴油機(jī)排氣噪聲的中高頻部分

14、有比較好的消聲性能。四腔穿孔管消聲器高頻的消聲量大于三腔消聲器，采用多個(gè)內(nèi)插管代替單內(nèi)插管有利于低頻噪聲的降低。穿孔率非常小的穿孔管對(duì)低頻噪聲的消除也比較有利；錐形內(nèi)插管和圓柱形內(nèi)插管相比，能改善中低頻噪聲的消聲效果。結(jié)合前面的流體動(dòng)力學(xué)特性，綜合評(píng)價(jià)了六種抗性消聲器的性能，證明所設(shè)計(jì)的抗性消聲器具有良好的消聲性能和流體動(dòng)力學(xué)特性。 本文用CFD法定量地研究了簡(jiǎn)單消聲器的壓力損失隨消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件的變化規(guī)律，結(jié)合已有的消