（动力机械及工程专业论文）汽车排气消声系统数值仿真与设计研究.pdf

哈尔滨。l ：群人学硕十学位论文 摘要 排气系统是汽车的重要组成部分，良好的排气系统要求具有背压( 或阻 力损失) 低和消声量高等特点。本文使用g t - p o w e r 软件建立了汽油机和排气 消声系统的仿真模型，进而研究消声器的声学特性和排气系统对发动机性能 的影响。 在室温无流和高温有流两种情况下，计算了两种抗性消声器的传递损失。 通过将计算结果和实验测量结果进行比较，考查了g t - p o w e r 软件计算消声器 声学性能的准确性和适用性。在平面波范围内，g t p o w e r 软件能够准确地预 测消声器的传递损失；但在频率极低时，由于该软件的计算方法存在缺陷， 使得计算结果失真；而在接近于截止频率的高频范围内，只能预测出传递损 失的大致变化趋势。气流速度和温度对消声器的声学性能有很大影响。随着 气流速度的增加，消声器的传递损失曲线向低频方向移动。随着介质温度的 升高，消声器的传递损失曲线向高频方向移动。之后，还计算了三元催化转 化器的传递损失，并将c - t - p o w e r 软件计算结果和频域法计算结果、实验测量 结果进行比较。由对比分析可知g t - p o w e r 软件计算值存在一定的误差，这主 要是由于实际载体毛细管的形状和软件默认的形状不一致，以及软件计算细 管声阻抗的公式存在缺陷造成的。 在室温和高温两种工况下，使用g t p o w e r 软件计算了上述两种抗性消声 器的阻力损失，并将预测结果和f l u e n t 软件的计算结果进行比较，详细分析 了g t p o w e r 软件计算结果中误差产生的原因，并给出了相应的修f 方法。气 流流速和温度对消声器的阻力损失有很大影响。随着气流速度的增加，消声 器的压力损失迅速增大，与速度的平方成正比。随着气流温度的升高，消声 器的压力损失迅速降低，压力损失曲线仍然呈二次曲线型。而后，对三元催 化转化器在室温和高温两种工况下的阻力损失进行了计算。结果表明，室温 时三元催化转化器的压力损失主要由载体压力损失和局部阻力损失组成，高 温时三元催化转化器的压力损失主要是载体压力损失。 在此基础上，使用前面分析的三元催化转化器和两种抗性消声器组建了 哈尔滨1 ：群人学硕十学1 7 = 论文 排气系统，并与发动机模型耦合计算了消声器和组合结构的插入损失，以及 消声器和组合结构的加入对发动机性能的影响。 最后，在原始排气系统模型的基础上，使用g t p o w e r 软件对排气系统和 消声器的结构进行优化设计，使发动机的排气噪声和背压达到厂家要求。 关键词：排气消声系统；声学性能；空气动力性能；发动机性能；数值仿真 哈尔滨l ：程人学硕十学何论文 a b s t r a c t e x h a u s tm u f f l i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o b i l e ag o o de x h a u s t s y s t e mr e q u i r e sl o wb a c kp r e s s u r ea n dh i g hn o i s ea t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h eg t - p o w e rs o f t w a r ei su s e dt ob u i l dt h es i m u l a t i v em o d e l so f g a s o l i n ee n g i n ea n de x h a u s tm u f f l i n gs y s t e m ，a n dt h e nt oi n v e s t i g a t et h ea c o u s t i c a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fm u f f l e r sa sw e l la st h ee f f e c to fe x h a u s ts y s t e mo n t h ee n g i n ep e r f o r m a n c e t h eg t - p o 僵rs o f t w a r ei su s e dt oc a l c u l a t et h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o n p e r f o r m a n c eo ft w o r e a c t i v em u f f l e r sw i 廿l s t a t i o n a r ym e d i u ma n dh i 曲 t e m p e r a t u r eg a sf l o w b a s e do nt h ec o m p a r i s o n so ft r a n s m i s s i o nl o s sp r e d i c t i o n s 丽me x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t s ，t h ea c c u r a c ya n da p p l i c a b i l i t yo fg t - p o w e r f o rc a l c u l a t i o no ft h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o np e r f o r m a n c eo fm u f f l e r sa r ed i s c u s s e d i nt h ep l a n a rw a v er a n g e ，t h i ss o f t w a r ec o u l dp r e d i c tt h et r a n s m i s s i o nl o s so f m u f f l e r sa c c u r a t e l y h o w e v e r , t h et r a n s m i s s i o nl o s sp r e d i c t i o ni sn o ta c c u r a t e w h e nt h ef r e q u e n c yo fa n a l y s i si sv e r yl o wd u et ot h es o f t w a r ed r a w b a c ki ni t s c o m p u t a t i o n a la p p r o a c h a tt h eh i g h e rf r e q u e n c yn e a rt h ec u t - o f ff r e q u e n c y , t h e s o f t w a r em a yp r e d i c tt h ef i e n do ft r a n s m i s s i o nl o s so fm u f f l e r so n l y t h e t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo ft h ee n g i n ee x h a u s tg a sh a v es i g n i f i c a n ti n f l u e n c e so i l t h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o np e r f o r m a n c eo fm u f f l e r s t h et r a n s m i s s i o nl o s sc u r v ei s m o v e dt ot h el o w e rf r e q u e n c ya st h ef l o wv e l o c i t yi n c r e a s e s ，a n dt h et r a n s m i s s i o n l o s sc u r v ei sm o v e dt ot h eh i g h e rf r e q u e n c ya st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h e g t - p o w e rs o f t w a r ei sa l s ou s e dt oc a l c u l a t et h et r a n s m i s s i o nl o s so fat h r e e w a y c a t a l y t i cc o n v e r t e r , a n dt h ep r e d i c t i o n sa r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sb yt h e f r e q u e n c y d o m a i nm e t h o da n de x p e r i m e n t t h ec o m p a r i s o n ss h o w e dt h a t t h e p r e d i c t i o n sb yg t - p o w e rh a v ee r r o r s ，a n dt h er e a s o n sm a ya t t r i b u t et h a tt h e s h a p eo fc a p i l l a r yt u b e si nac a t a l y t i cm o n o l i t hi sd i f f e r e n tf r o mt h ed e f a u l ts h a p e i nt h es o f t w a r e a n dt h el i m i t a t i o ni 1 1t h ee x p r e s s i o no ft h ec a p i l l a r yt u b ea c o u s t i c 一强商萄；一一面丝丝堡望兰塑丝萄颟 i i 彝蟊萄西菌蕊茵互赢菌罨螽i 焉五面蔷赢商矗e 萄藏i i i i 五i i i _ 函_ 目。_ _ 。4 “。“4 4 i m p e d a n c e i ng t - p o w e r t h 。r e s i s t a n c 。1 。s so fa b o v er e a c t i v em u f f l e r si sc a l c u l a t e db yg t - p o w e r a tr o o ma n d1 1 i 西t e m p e r a 抛r e ，a n dt h ep r e d i c t i o n sa r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t s c a l c u l a t e d b y f l u e n ts o f t w a r e t h er e a s o n sf o r c a l c u l a t i o ne r r o r sb y g t - p o w e ra r ea n a l y z e di n d e t a i la n dt h ec o r r e c t i v em e t h o di s o f f e r e d t h e t e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo ft h ee x h a u s tg a sh a v es i g n i f i c a n t i n f l u e n c e so i lt h e p r e s s u r ed r o po fm u f f l e r s t h er e s i s t a n c e l o s si n c r e a s e sr a p i d l ya st h ef l o w v e l o c i t yi n c r e a s e s ，a n di ti sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt o t h es q u a r eo fv e l o c i t y t h e r e s i s t a n c el o s sd e c r e a s e sr a p i d l ya st h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s ，a n dt h er e s i s t a n c e l o s sc u r v ei sac o n i ct y p e t h er e s i s t a n c el o s so ft h ea b o v et l 毗- e e - w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e ri sp r e d i c t e db yg t - p o w e r a tr o o ma n dh i g ht e m p e r a t u r e t h er e s u l t s h o w st h a tt h er e s i s t a 咀c el o s so ft h et h r e e w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e ri sm a d eu po f p r e s s u r el o s so fs u b s t r a t ea n dl o c a lp r e s s u r el o s s u n d e rt h er o o mt e m p e r a t u r e c o n d i t i o n a th i g ht e m p e r a t u r e ，t h er e s i s t a n c e l o s so ft h et h r e e _ w a yc a t a l y t i c c o n v e r t e ri sm a i n l yc a u s e db yt h ep r e s s u r el o s so fs u b s t r a t e b a s e do l lt h es t u d ya b o v e ，at h r e e - w a yc a t a l y t i cc o n v e r t e ra n dt w or e a c t i v e m u 国e r sa r eu s e dt ob u i l dt h ee x h a u s ts y s t e m t h ee x h a u s ts y s t e mm o d e lc o u p l e d w i t he n g i n em o d e lt oc a l c u l a t et h ei n s e r t i o n l o s so fm u f f l e ra n dc o m p o s i t e s t r u c t u r e , a n dt oi n v e s t i g a t e t h ee f f e c to fm u f f l e ra n dc o m p o s i t es t r u c t u r e o n e n g i n ep e r f o r m a n c e f i n a l l vb a s e do nt h eo r i g i n a le x h a u s ts y s t e mm o d e l ，t h eg t - p o w e r i su s e d t oc o n d u c tt h eo p t i m u md e s i g no fe x h a u s ts y s t e ma n dm u f f l e rc o n f i g u r a t i o ni n o r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ee x h a u s tn o i s ea n db a c kp r e s s u r e k e y w o r d s ：e x h a u s tm u f f l i n gs y s t e m ；a c o u s t i c p e r f o r m a n c e ；a e r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e ；e n g i n ep e r f o r m a n c e ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： e l 期：谚年乃月届e l期：啦年0 3 旯沁 哈尔滨j ：科人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车排气噪声控制与消声器设计 随着汽车工业和城市交通的快速发展，城市汽车拥有量同益增加。与 此同时，汽车噪声也成为城市环境中最主要的噪声源。为了有效地控制和 降低汽车嗓声，欧美等发达国家制定了严格的噪声控制法规。我国在这方 面起步较晚，但也制订了相应的政策法规，如国家环保总局于2 0 0 2 年1 月 颁布的g b1 4 9 5 2 0 0 2 汽车噪声控制法规规定：2 0 0 5 年1 月以后生产的轿 车加速行驶车外通过噪声限值为7 4 d b h ，货车为7 6 - - - - 7 7 d b a ；超过噪声限值 的机动车将不得销售。 现代科技的飞速发展，促使汽车设计与制造技术不断进步。汽车制造 商和供应商之间紧密的合作，使得不同品牌汽车之间动力性、经济性和安 全性的差别越来越小。相比之下汽车的其它性能，如：舒适性、排放性和 美观性等指标成为区分汽车好坏的重要因素。对于汽车的舒适性，常用n v h 予以评价，即噪声( n o i s e ) 、振动( v i b r a t i o n ) 和不舒适( h a r s h n e s s ) 。多数 顾客驾驶汽车时，期望得到安静和平稳。因此，在购买汽车时非常在意汽 车的噪声与振动性能，这些使得对于汽车降噪技术的研究具有重要现实意 义。 汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源，而发动机热力过程 的周期性及部分受力机件的往复运动使发动机噪声成为汽车最主要的噪声 源。按噪声产生的机理，发动机噪声可以分为空气动力噪声、机械噪声和 燃烧噪声，其中空气动力噪声所占比重最大。空气动力噪声是高速气流、 不稳定气流以及由于气流与物体相互作用而产生的噪声“，其主要包括：进、 排气噪声和风扇噪声。由于空气动力噪声直接向大气辐射，在没有进、排 气消声器时，排气噪声是发动机最大的噪声源，进气噪声次之。排气噪声 又主要包括：排气压力脉动噪声、气流流过气阀、气阀座等处产生的涡流 嗓声、由于边界层气流扰动产生的噪声、排气出口喷流噪声、冲击噪声和 哈尔滨l ：样人学硕十学位论文 h e l m h b l t z 共振噪声等。 为了降低排气噪声，可以对噪声源进行控制，这往往会影 甸发动机的 动力性和经济性等参数。目前，普遍采用的方法就是安装具有优良性能的 排气消声器。消声器是一种能阻碍声音传播面容许气流顺利通过的装置， 根据消声原理的不同，汽车排气消声器可以分为两种：主动式消声器和被 动式消声器。主动式消声器涉及的学科很广，受到电子技术、振动噪声理 论、信号处理和成本等方面的限制，使其发展缓慢，至今还停留在学术研 究阶段。被动式消声器因其结构简单、成本低廉得到了广泛的应用，按其 消声原理可以分为三类：阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。 优化设计的消声器不仅要具有良好的消声性能，而且对发动机动力性 和经济性的影响要尽量小。因此，在消声器的设计中要统筹兼顾以下五方 面的基本要求川： 1 声学性能 消声器的有效消声频率范围是有限的，消声性能良好的消声器要求具 有足够宽的消声频率范围，并且在所需要的消声频率内具有足够高的消声 量。消声量通常用插入损失、传递损失或噪声衰减量来评价。- 插入损失是装置消声器前后，自管口向外辐射噪声声功率级之差。如 果装置消声器前后声场分布情况近似保持不变，那么插入损失是在给定测 点处装置消声器前后声压级之差。严格地说，插入损失反映了整个系统( 包 括消声器、管道及噪声源) 在装置消声器前后声学性能的变化。换句话说， 插入损失不是消声器单独具有的属性。由于插入损失比较容易测量，并且 能反映装置消声器后的综合效果，因此在现场测量中广泛采用。 传递损失是消声器入口处的入射声功率级与出口处的透射声功率级之 差。如果消声器迸、出口截面面积相同，并且可以近似假定声压沿截面均 匀分布，那么传递损失就是入射声与透射声声压级之差。传递损失是消声 器单独具有的属性，与管道系统及噪声源无关，适合于理论研究。 噪声衰减量是消声器上游和下游声压级之差。和消声器的插入损失一 样，噪声衰减量与排气尾管末端和周围环境的属性有关。 2 空气动力性能 消声器的空气动力性能通常用压力损失来衡量。消声器的压力损失是 2 哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 进口端与出口端气流的总压之差。如果进、出l 的截萄甄秘伯同，并且可 以近似假定流速沿截面分布鞠流场相同，那么压力损失就是进、出口气流 的静压之差。在现场测量时，往往不做压力损失测量而以装置消声器前后 发动机的功率损耗来衡量空气动力性能。 3 结构性能 在很多情况下，汽车底盘空间限制了消声器的大小和形状，其结构对 排气噪声和发动机背压有直接影响。设计的消声器结构应当有利于降低气 流速度，减少气流产生的涡流冲击，从而降低气流再生噪声。 4 机械与材料性能 消声器要求具有一定的强度、刚度以及较长的使用寿命。此外，还要 求消声器具有结构紧凑，重量轻和便于加工、安装等特点。 5 经济性考虑 经济性是重要因素之一。消声器的成本应尽量低，但这要由上面四个 因素共同决定。 1 2 国内外研究现状 在消声器的声学设计中，目前己形成了频域法和时域法两种基本理论。 其中，频域法主要包括：一维传递矩阵法、三维解析法、有限元法和边界 元法等，具体内容介绍如下。 1 传递矩阵法( t r a n s f e rm a t r i xm e t h o d ) 汽车排气系统声学性能计算中最常用的方法是基于线性声学理论和平 面波传播假设的传递矩阵法。这种方法将消声器沿噪声传播路线分割成若 干个子系统，使用传递矩阵表示各个子系统的声传递特性。即将子系统入 口端和出口端的声压和质点振速看作四端网络的四个状态参量，然后建立 输入端状态参量和输出端状态参量的矩阵关系式。通过连乘各个子系统的 传递矩阵，就可以得到整个消声器的传递特性。 早在1 9 2 2 年，美国学者s t e w a r t 使用线性声滤波器理论来研究抗性消 声器，并提出了声学滤波器和电学滤波器的类比关系，为排气系统声学性 能分析奠定了基础。由于该理论是基于集中参数法，只有在波长远大于消 3 喻尔滨i ：样人学硕十学位论文 声器的几何尺i j 勰。：j 可以准确计算消声器的低频声学性能。1r 。r - 。, l 掣i j a vis 等人采用一维波动：亨翟，利用横截面交化处声压和声容积速度自连续蛙计 算了单级和多级扩莠兰以及旁支共振式消声器的声学性能。以上工作稿戚 了传递矩阵法的理谚基嵇“。五十年代后期，i g a r a s h i 等人利用等效龟蔫：亨 法计算了消声器的传递矩阵“。在七十年代以前，消声器理论研究只限于基 本消声元件。七十年代末，s u l l i v a n 和c r o c k e r 分析了穿孔管消声器的四 极参数和声学特性，菠角传递矩阵法得到了一个按特征函数展开的传递损 失表达式f 。后来，许多学者引入不同的假设条件和数值解耦技术? 得至! 了 可以考虑平均气流效应的穿孔管消声器四极参数表达式协- 。与此同时，餮 内学者也对传递矩阵法进行了大量的研究，逐渐将平均流动考虑进来，并 应用于消声器的声学性能计算中“，。 由于传递矩阵法的基本理论中需要引入线性声学理论和平面波传播的 假设，这些限制条件使得该方法只能在较小的压力波动幅值和较低的平均 气流速度的前提下，预测范围低于系统中高阶模态的激发频率时，才能有 效地预测消声器的声学特性。当计算频率较高或者消声器的结构尺寸较大 时，消声器内部出现高阶模态，这时一维理论就不再适用，应采取更加精 确的三维理论进行分析。 2 三维解析法( 3 - da n a l y t i c a lm e t h o d ) 1 9 4 4 年，m il e s 首先研究了在对称的面积突变处，由于激励作用引起 的高阶模式声传播的问题，得到了声压和质点振速的正交函数表达式“。 1 9 7 8 年，e 1 s h a r k a w y 和n a y f e h 进一步研究了这个问题，得到了圆形简单 膨胀腔内声传播问题的三维解析表达式，并通过实验验证了解祈法匏准确 性m ，。然而，他们的工作仅限于轴对称的圆管道。将解析解推广到菲对称的 膨胀腔结构是出 a y a r a m a n 完成的，解的准确性由e r i k s s o n 等人通过实 验验证m ：。1 9 8 5 年，i h 和l e e 更进一步地从理论上讨论了进、出口偏移简 单圆形膨胀腔的传递损失结果m t 。1 9 8 7 年，m u n j a l 研究了进、出口偏移简 单矩形膨胀腔的传递损失w ，。后来，s e l a m e t 和j i 使用三维解析法详编研 究了进出口偏移圆形澎张腔、圆形回流膨胀腔、单进口双出口圆形膨胀靛 和圆形不对称h e 】m h o 】t z 共振器等的声学性能，得到了传递损失的表达式 m 川。通过将解祈解和其它结果进行比较，验证了解析法兵有较高的计算精 4 嗡尔滨j ：稃人学硕十学位论文 度。2 0 0 4 年，s 。k i 沁：萼将二维解析理论应用到内附纤维吸声材翱- 宝乏蔓皇 膨胀腔消声器声学性曼昔葬中，使用模态匹配技术得到了传递损失夏运式j 计算结果由实验茄粟= 羞；亍验证。2 0 0 5 年，k i r b y 和l a w r i e 采用匝点弦, - - 2 - j ：夏 测了大型轴向均匀疆鉴；考声器的传递损失，计算结果与模态匹配技术得型 的解析解吻合较好“。 采用解析法求解消声器的传递损失时，不可避免地要截去级数申的无 穷项。特别是对于非对称结构，这种操作是比较复杂的。由此可知，求辫 消声器内部声传播翔题篆解析解只限于很简单的规则结构。然而，实际应 用中的消声器，其结，嵩往往比较复杂，解析法很难适用。为此，需要使焉 数值方法进行求解。 3 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 有限元法是消声器声学性能分析中常用的数值方法，这种方法是将一 个连续的求解域划分成适当形状的单元，然后根据变分原理将问题的控制 方程转化为所有单元上的有限元方程，求解该方程组就得到了各节点上待 求的函数值防r 。由于单元可以被分割成任意的形状和尺寸，所以它能很好地 适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件，从而使有限元 法得到了广泛地应用。 1 9 7 5 年，y o u n g 和c r o c k e r 最先使用有限元法计算了简单二维膨胀腔 消声器的传递损失，传递损失由等效四端参数求得协1 。1 9 7 6 年，c r a g g s 进 一步发展了有限元方法，利用有限元法研究了消声器的消声特性”。而r 。s s 则引入子结构分析方法研究了三维并联耦合系统，他把由两个扩张室并联 而成的消声器分为焉个子系统进行处理。1 9 7 8 年以前，有限元洼莽罢篱 公式都是仅限于稳定介质状态。1 9 7 9 年a s t l e y 和e v e r s m a n 等利用加权余 量法和有限元法把菲均匀管道中的声传播扩展到流动介质中”“。1 9 8 2 年， p e a t 发展了y o u n g 和c r o c k e r 的理论，以能量函数作为研究对象，利用有 限元法分析了具有流动介质管道中的声传播m 。而后，b e r n h a r d 探讨了有 限元法应用于消声器弱结构优化设计导圳。1 9 8 7 年，m u n j a l 在其著作宁详细 介绍了有限元法应幂子i 誊声器声学性能计算的理论原理”。国内学者对有限 元法在消声器声学性笼 算中的应用也作了相关的研究。蘑超使用有陵龙 法计算了有流时轴对称抗性消声器的传递损失，在低频范围内可以获得鞍 嗡i ：滨i ：群人学硕十学位论文 高的计算精度”“。l ioj 以i ：，一；等使用有限元法预测了有流情况下圆形嘭器 腔消声器的传递损夫；蠢对了平均流动和消声器结构尺寸对声衰减性笔 的影响m t 。 采用声学有隈元注求群蕙革结构消声器的传递损失时，计算绥袅兹镑 度很高。但当消声器结构很复杂，且考虑的噪声频率较高时，为了保证计 算精度必须加大单元飚格数，采用这种方法的计算量将非常大。否；j ，有 限元法的计算精度将降低，甚至出现较大的偏差。 4 边界元法( b o u n d a r y 三ie ! i ! e n tm e t h o d ) 边界元法是在积分方程豹基础上吸收了有限元离散化技术而发震起来 的一种数值方法。该方法的基本思想是把控制微分方程式变换成边界上的 积分方程式，然后将边界分割成有限大小的边界单元。再把边界积分方程 离散成代数方程，从而把求解偏微分方程的问题转变为求解关于边界节点 未知量的代数方程问题。 与有限元法相比，边界元法有很大的优越性。由于它只需离散问题的 边界，使问题的维数降低一维，因而可以减少方程的个数，同时也减少了 需要输入的参数，使得该方法更适合于计算结构复杂的消声器。由于边界 元法只对问题的边界迸行离散，误差仅仅来源于边界，与模态高低或密度 无关，因而边界元法的计算精度要高于有限元法。其次，边界元法特别适 合于处理无限域或半无限域问题，它不需任何类似于有限元法“切断”之 类的近似而可精确求解这类问题。此外，求出边界未知量后，内部节点昀 物理量可根据需要进行求解，而不必像有限元法一样不论是否需要必须求 出所有节点的物理量。 经过3 0 年的发展? 边界元法在消声器声学性能计算中有了长足的发展。 七十年代，w a t s o n ”。和l 1a c n a t * ，的两篇博士论文奠定了边界元法的基础。 1 9 8 7 年，s e y b e r t 和c h e n g 应用边界元法分析了腔室和简单膨胀腔消声器 的静态声学性能。1 9 9 1 年，c h e n g 和s e y b e r t 又将边界元法用于分析带插 管结构消声器的静态声学性笼州。1 9 9 2 年，j i a 和s e y b e r t 将边界元法嗣于 分析穿孔管消声器的声学往能”i 。1 9 9 4 年，季振林等使用边界元法预测了 有均匀流消声器鲍声学等髓，并考察了介质流动对筒单膨胀腔消声器传递 损失的影响。1 9 9 5 年，季振林等又使用边界元法预测了具有低马赫数棼 6 哈尔滨i ：氍人学顽十学位论文 均匀势渡时；毒害翼室0 声学特性，使边界元的预测结果更蓉迂- = | 2 ：毒嘉攀妻勺实 际工作信况r ：一：亏毒，s e l a m e t 和珏使用边界元法计算萝；j 。；了了多诱结构 消声器的声学：磐三，“。使用边界元法计算大型消声器的声学童笼t ? 需要 计算机有很六；：竞存量，耜应羲诗算时间也很长，这是它必须垂：每曼；蓠题。 以上介绍的颈域方法只能计算消声器的声学性能，而不笼考惹实际工 作中发动祝和；考声器之间的相互影响。 时域方法是薹于非线性一维流体动力学模型，使用扩震熬= ：；线性一维 有限差分法( c h s p m a n ，n o v a ka n ds t e i n 刚) 求解流体的流动方垂：谚方法不 仅可以预测消声器中的声衰减、插入损失、发动机的背压和，乏雪幕莉噪声 等参数，还可苏模拟汽车进、排气系统中的非线性作用，如：疆奏流、振 荡波和热传遂等。而且作为一个完整的迸气系统一发动机一排气系统模拟， 对于影响发动机和消声器性能的诸多因素，如：随空间位置变化的流速、 平均压力和温度等，都可以包括在计算中。但它在模拟计算时，需要假设 排气系统中的气流以平面波的形式传播，使得该方法的有效预测范围只适 用于平面波范围。 1 3 计算机访粪模拟技术 仿真模拟是应用计算机，对发动机内气体流动和热力过程迸行循环计 算，以求满是预定目标的一组或多组方案，为结构优化设计提供指导。在 2 0 世纪8 0 年代，伴随着计算机技术和计算流体力学( c f d ) 的茯运发震，研 究人员开发岂c f d 和声学混合软件用来计算发动机管道内身：漉爱曩噪声。 随着汽车零部俘供应商承担越来越多的工程开发项目，这些仿寞软件得到 了广泛的应用。到2 0 世纪9 0 年代，一维和三维计算流体和声学软件逐渐 成熟，其中以x a v e 和s y s n o i s e 为代表。在9 0 年代末，一些公司开始寻找 噪声分析软件和汽车其它性能软件之间的沟通及通用性，建立“盎拟实验 室”这样的敦俘。这种软件试图打破噪声计算和汽车其它性笈算之间的 界限，于是就童现了g t - p o w e r 和a v l b o o s t 系列软件。 目前，在j 专声器设计中，凭经验设计的方法已被计算祝辐动设计所取 代。高效、快速宴匀软件模拟方法不仅降低了研发成本和周萁珂，j 嚣豆可以弥 嗡尔溟i 掣入学碗十字；壹论之 眷实际产品开发过翟申熬移【实验无法解决的翔霆。；迈百亮众多羚设委方 案亭遥出最毪方案? 送至l 优化设计的蜀的。蟊毫专：_ 。? 一0 弓、弭一p 琶i 稆 且吃一b o o s t 等软件已经成为现代汽车企业必不可少i ：产晶爵发工具。 0 ：一w e r 较俘是美至g t i 公司开发的发动规往甏荟拟与仿真软译，具 有丰富刍亏解祈蓑力、准确豹物理模型和简单而方便的建模方法，适用于对 各种发动机进行性能仿真。该软件是基于非线性维流体动力学模型，以 时域方法为理论基础? 采用有限体积法计算流体弦芝续性方程、动量方程 和麓量方程( 或焓方程) 组成的耦合方程组。求薛时，软件采用交镑舟格将 整个系统离散为许多体积元，每一个管接头作为一个独立的体积元，而每 根管道又被迸一步划分为更多的体积元，这些体积元通过边界连接在一起。 在体积元内，标量被假定为均匀分布的，且在体积元的中心进行计算，主 要的标量包括密度和总内能。矢量在体积元的边界进行计算，主要的矢量 有质量流量u “。 g t - p o w e r 软件可以进行发动机稳态工况和瞬态工况的仿真模拟计算。 在模拟计算过程中可以实现以下功能：发动机功率、扭矩和燃油消耗率等 外特性参数的计算；缸内燃烧过程和排放的分析，以及气缸零部件的热分 析；进、排气门升程曲线和配气正时的设计：发动机和涡轮增压器的匹配 计算；废气旁通阀的设计；e b r 管路系统的设计；进、排气系统管路的设计； 进排气系统中谐振腔、三元催化转化器和消声器的设计等。 1 4 本文的主要研究内容 对于车用发动机，排气系统的管路直径较小、截止频率较高，使用一 维理论模型能够较精确、快速地预测消声器的低频声学性能。当消声器安 装到汽车排气系统中，发动机排气气流参数对消声器的性能有很大影响， 消声器的加入对发动机性能也存在一定的负作用。充分考虑到发动机和排 气消声器之间的相互影响，在发动机降噪设计中使用g t p o f e r 软件将发动 机模型和消声器模型进行耦合研究，对排气系统进行优化设计，是降低排 气噪声的最篚手段。因此，本文的主要研究内容是： 1 使用g 7 i 、寸l ，c 并职软件建立发动机的仿真模垄，并出厂家提供的数掘 嗡尔滨1 ：群人学硕十学何论文 对模型a 勺功率、扭矩、燃；壶消耗率和缸内压力等参数避? j 二凌核，为发动机 莉弱；专系统豹藕合研究羹定基础。然后，使用该仿真：蓬至预测发动枫的撵 气噪声频谱特性，为发动机的降噪设计做好前期准各工作。 2 在室温和高温两种工况下，使用g t p o w r 软俘孝至透穿孔管消声 器、三通穿孔管清声器和三元催化转化器的声场和流场进行数值模拟，对 比分析上述三种消声元件的消声性能和空气动力性能，为消声器和排气系 统的设计提供指导依据。 3 使用前面分析的直通穿孔管消声器、三通穿孔管i 考事器和三元催化 转化器搭建整个排气系统模型，并与发动机迸行藕合分祈。研究发动机在 不同工况下消声器和组合结构的插入损失，以及消声器番组合结构的加入 对发动机性能的影响。 4 针对发动机的排气噪声频谱特性，提出一种降噪方案，并应用 g t - p o w e r 软件对排气系统和消声器的结构进行优化设计，使发动机的排气 噪声和背压达到设计要求。 9 哈尔滨i - 下it 人学顶十学位论文 嘉2 章发动视工作过程韵数篁暑萋 本章使震g t - p o f f e r 软件建立发动机的仿真模型i 芳蔓用厂家提供的数 据对模型参数进行校核，使模型可以准确模拟发动机兹实际工作过程，为 后面章节中发动机和排气系统的耦合研究奠定基础，为了正确使用软件中 各种模块搭建发动机的仿真模型，需要对c , t p o w e r 软俘昔算发动机工作过 程的原理喜一个清楚的了解。下面对软件中的一些模垒之i 以会绍。 2 1 发动视内流体流动模型 流动模型涉及连续性方程、动量方程和能量方程的联立解。这些方程 只是进行一维求解，这意味着所有变量都是在横截面上平均后的结果。主要 的求解变量包括质量流量、密度和总内能。 考虑到实际工作中发动机内流体流动为非稳态，且伴随着摩擦和热传 递等过程，维非定常流动的气体动力学方程组可以写成如下形式h 升： 连续性方程： d m ：y 珑触 ( 2 1 ) d t b o j 怎r 功重万裎： 堑趔：竺二墅薹丝兰二竺兰兰二丛至尘。2 嘲 能量方程( 显式求解) ： d ( m e ) ：p 望兰+ o 形致番h ) 一九冬z h ，材一互。汀) ( 2 - 3 ) a r td t 幻t a 二一, d a r + 、e $ 。 73”。7 焓方程f 降贵隶惫军) i o 哈尔滨i ：稃人学硕十学府论文 i ，、， ； 掣：y 雩协宰日) 一朋，纠一王。j j( 2 4 ) 誓囊 b ? 三；：；口1 。s 式中：扔以五= 9 。毛j 为从边界进入体积元的质量流量，为i 搴薇元身贡量，t 为时间，y 为体积，p 为压力，p 为密度，a 为流道的横截面耘，五。为热传 递表面面积，兮为每单位质量的总内能，为总焓，南为热传递系数，t 。 为流体温度，l ；，为壳体温度，u 为边界处的速度，g 为表纛摩擦系数，g 为压力损失系数，d 为当量直径，d x 为沿流动方向质量元的长麦，如为作 用在质量元上当亏压差。 对于气体动力学方程组的求解，理论上是有解析解( 或称真解或精确解) 的。但由于所处理问题自身的复杂性，如复杂的边界条件，或者方程自身 的复杂性等，造成很难得到方程的解析解。因此，需要使用数值方法对控 制方程进行离散，从而得到以各个节点上的变量表示的代数方程组，进而 求出近似解。常用的数值方法有：有限差分法、有限体积法、特征线法和 有限元法等。 g t p o w e r 软件使用有限体积法求解流体的流动方程。求解过程中，软 件将整个系统离散为有限个体积元。每一个管接头模型作为一个单独的体 积元，每一根管子又被进一步离散为更多的体积元，体积元之间通过边界 连接。在体积元内，标量被假定为均匀分布的，在体积元自勺中心进行计算。 主要的标量包括密度和总内能，次要的标量包括压力、温度、总焓和组分 浓度等。矢量在体积元的边界进行计算，主要的矢量有质量流量，次要的 矢量有速度和质量分数流量等参数。这种类型的离散被称之为“交错网格”。 2 2 发动辊燃烧模型 本章将使用“e n g c y l c o m b s i w i e b e ”模型( 单韦别燃烧模型) 模拟发动机 的燃烧放热过程，在这个模型中主要涉及双区燃烧理论和单韦别放热率曲 线，详细介绍如下m - 。 哈尔滨l ：群人学硕十学位论文 2 ，2 1 双匿燃瓷堡论 在g t p 0 再三r 软斧中，缸内燃烧过程的进展步骤如下祈述： 1 在燃烧妻考玎始( 汽油规点火时刻) ，缸内被分为两个区域：袁燃区和 已燃区。在初始时刻，缸内所有物质都在未燃区，包括前一循巧或e g r 的 残余废气。 2 在每个对间步长内，燃料空气混和物从未燃区转移到曼燃基，转移 到已燃区注气洹和物的数量由燃烧放热率定义，燃烧放热率透过燃瓷模型 计算得到。 3 在某特定的时间步长内，当未燃的燃料和成比例的空气从未燃区 转移到己燃区时，软件对整个己燃区进行化学平衡计算。计算包括该时刻 在已燃区中每一种成分的所有原子( c 、h 、o 、n ) ，得到1 1 种燃烧产物的平 衡浓度( n ：、0 。、h ：o 、c 晚、c o 、也、n 、0 、h 、n o 、o h ) 。这些成分的平衡浓 度主要依靠于当前燃烧区域的温度，次要依靠于压力。 4 一旦在已燃区中所有成分都生成了，程序将会自动计算每一种成分 的内能。然后，将每种成分的内能相加得到整个已燃区的能量。应用能量 守恒原理，得到新的未燃区和已燃区的温度以及气缸压力。 在双区模型中，下列能量方程在每个区的每个时间步长内单独求解： 耒燃区： 掣= 叩警一q f 等红+ 等死卜等乃， 5 ， 式中：矾为未燃区质量，为燃油质量，矾为空气质量，矾j 为喷莉燃油质 量，e 。为未燃区能量，p 为气缸压力，圪为未燃区体积，包为未燃区热传递， h ，为燃油质量焓值，如。为空气质量焓值，h ，为喷射燃油质量焓僮。 已燃区： 掣：一夕鲁一q + ( 等吩+ 等以) c 2 删 霞t l a t