汽车排气消声器流场CFD分析

机械研究与应用制造业信息化汽车排气消声器流场CFD分析闫凯，李艳琴1鲁南质检中心一国家矿用支护产品质量监督检验中心，山东济宁272000；2山推工程机械股份有限公司，山东济宁272000摘要主要借助FLUENT软件，采用计算流体力学方法研究消声器的空气动力学问题，重点阐述消声器的压力场和速度场，以及消声器基本结构和入口空气流速对其压力损失的影响，并提出影响声学性能的几个方面，为消声器的计算机辅助设计提供帮助。关键词排气；消声器；CFD中图分类号U461文献标识码A文章编号10064414201006009902THEANALYSISOFTHEAUTOMOBILEEXHAUSTMUFFLERBYCFDYANKAI。LIYANQIN1NATIONCENTERMINESUPERVISE，LUNANQUALITYCHECKLCENTER，FININGSHANDONG272000，CHINA；2SHANTUICONSTRUCTIONMACHINERYSTOCKCO，LTD，FININGSHANDONG272000，CHINAABSTRACTFLUENTISUSEDTOSIMULATETHEFLOWDISTRIBUTIONINMUFFLER，THEAIRDYNAMICSOFTHEMUFFLERISRESEARCHEDBYCOMPUTATIONALFLUIDDYNAMICSPRESSUREANDVELOCITYDISTRIBUTION，ASWELLASTHEEFFECTONTHEPRESSURELOSSFROMTHEBASICALSTRUCTUREOFTHEMUFFLERANDTHEAIRFLOWVELOCITYOFTHEINLETAREEXPOUNDEDSOMEFACTORSABOUTEFFECTINGACOUSTICSPERFORMANCEISPROVIDED，WHICHOFFERHELPFORTHEMUFFLERDESIGNBYCOMPUTERKEYWORDSEXHAUST；MUFFLER；CFD1概述随着汽车保有量的增加，降低汽车尾气和噪声对人类生活的影响已经刻不容缓了，其中安装排气消声器是降低汽车噪声的一个有效手段。汽车排气管排出的噪声包括基频噪声、气柱共振噪声、喷注噪声、紊流噪声、涡流噪声和亥姆霍兹共振噪声等，因此排气消声器是一个涉及气体流动、传热、振动、声学以及发动机性能和结构等多个学科知识的复杂结构。总体来说，消声器性能指标包括声学性能、空气动力性能及气流再生噪声特性3个主要方面。笔者主要采用计算流体力学方法CFD来研究消声器内空气流动性能。2气流分析在消声器设计中的应用气流对消声器消声量的影响大体可分两个方面J由于消声器内部结构与气流相互作用，使传播介质状态发生变化如局部温度和密度变化，导致声波在消声管道内传播与衰减规律与静态时有所不同；由于气流本身的湍流运动激励或固体物体的受迫振动产生了再生噪声。有试验证明，当气体流速低于LOMS时，气流对消声量的影响很小，当气体流速高于LOMS时，气流对消声量的影响则不容忽视，因此在消声器设计时不光要考虑消声效果还要重点考虑气流的影响。即使一个消声器各方面设计合理，当其背压最大时，也会使内燃机有效功率降低大约103。当气流通过消声器时，在消声器的进口与出口两端的气流全压会产生一定的降低，即压力损失，此压力损失的大小取决于消声器的内部结构，同时与气流速度有密切关系。随着进气口气流速度增加，压力损失迅速提高，从而增加发动机的功率损失。因此，必须合理控制通过消声器的气流速度。所以用CFD技术模拟消声器内部气体流场，从而分析其空气动力学性能指标，如温度、密度、压损、流速等。通过气体流场的分析，找出再生噪声出现的区域，并优化消声器结构，然后通过消声器试验对比分析优化后结构的合理性，从而确定消声器的设计方案。3CFD模拟计算及结果分析以某一款汽车排气消声器为例，采用CFD技术分析消声器内部气体流动性能以及对声学的影响。31压力场分析消声器的压力损失主要包括消声器内通道壁面与气流摩擦所产生的摩擦压力损失和消声器内通道拐折、截面变化等局部结构变化导致气流流动状态改变所产生的局部压力损失，一般局部损失占主要地位。导流管对局部损失贡献度较大，其能量损耗评价可由前后导流管出流速度之差得出，差值越大，压力收稿日期20101016作者简介闫凯1982一，男，山东济宁人，助理工程师，研究方向机械产品及矿用支护产品的检测与检验。99制造业信息化机械研究与应用损失越大。如图1所示为消声器压力分布图，在所通过的各个腔压力分布较均匀，第一腔和第二腔之间的压力变化较大，其他各腔压力递减。这主要是由于由细管径进入一个大空腔引起的扩张比较大引起，而第一腔一般需要较大的容积来抵消发动机排气的脉冲能，使得气流参数有较大的平衡空间使得压力分布均匀，从而达到减少压力损失目的，可以从考虑不同容积腔设计对比压损。32速度场分析图1后消压力场分布图流速影响特别大的是喷射噪声。高速射流就会产生喷射噪声，或在管口激发湍流而产生湍流噪声。由流速图即可找到可能影响其噪声产生的主要区域，一般可评价导流管伸人各腔的长度及其半径大小对流速影响。当局部区域气流速度大到一定程度时，就会产生喷射噪声，此时出口附近的小尺度湍流起主要作用，从而在管口激发湍流而产生湍流噪声。由图2可见，气流在第1，2腔联通管出口处速度比较大而且出口附近有湍流产生，会产生湍流噪声。喷射噪声具有四极子声源的辐射特性，噪声的声功率为WKSPV。2C1即其声功率和气流速度的8次方成正比，因此，可看出喷射噪声是一种受气流速度影响特别大的噪声。如果有不同导流管管径和伸人长度的模型对比，可以比较其出口湍流强度大小，达到减小阻力和增大消音量的目的。图示中后消第一腔与第二腔联通管之间的速度相差不大，说明涡流耗散较小，这样阻力损失小，但不利于消音量，仍旧有较大的动能而没有减少第二腔的气体射流。而进入第三腔共振腔的联通导管由于孔板的湍流耗散作用使得速度减小较大，在出口处明显减少了气体射流作用。而事实上涡流产生对于消声器而言是个矛盾体，涡流强了，声能得到耗散有利于减小消音量，却使得压损增大影响发动机的性能，所以需要综合考虑设计意图及倾向性，尽量在保持一定的压损下创造出适当的涡流区域而减少射流，这样同时减少湍流噪声和喷1OO注噪声。图3为后消流线示意图，可以发现在孔板透过而非联通管连接的腔体内，如共振腔流线较乱，这些都是由于孔板小孑L耗散作用引起。在湍流涡场中，旋涡在消声腔里不断形成、发展、脱落，产生一系列脉冲压强，形成湍流噪声。每当一个涡旋脱落时，就产生一个作用于障碍物的脉动力，作用方向与气流流动方向一致。涡流噪声的声功率与气流速度的6次方成正比45J，所以在尾管尽量少出现涡流，否则其不经过衰减就可直接传出消声器，尾管流速一般以不超过4550MS为适宜。图2后消速度场分布图图3后消流线分布图4结语消声器的消声性能、气体动力性能及再生噪声三方面不同的侧重会产生不同的性能效果和经济效果，所以这3方面和制造工艺一起构成消声器设计的基本要求。而这3方面互相影响，需要共同综合性评价，并采用不同的计算手段考虑各自的因素，如空气动力学性能则以CFD为工具则可直观的进行全局优化其性能，并可方便的计算发动机各种不同工况的气流状态对消声器影响。这对于缩短消声器设计开发周期和提高消声器性能都有很大帮助。参考文献1马大猷噪声与振动控制工程手册M北京机械工业出版社，20O22马家义消声器内部流场及其对消声性能影响J车用发动机，200755313LTDROGERJ，CHUTER，STEPHENMASSEY，ETA1WILLIAMSONFLOWMASTERMODELLINGEXHAUST