（机械设计及理论专业论文）单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究.pdf

摘要 排气噪声在柴油机整机噪声中占主导地位，安装排气消声器是控制排气噪声最直 接有效的方法。柴油机传统排气消声器大都采用的是穿孔管、穿孔板、扩张室等不同 组合的抗性消声器，其消声性能差、排气阻力大，柴油机的功率损失和燃油消耗严重。 本文对课题组在前期的研究中提出的一种自反相抵消的新型原理单缸柴油机排 气消声器，进行了消声性能与压力损失对比试验。试验结果表明，新型原理消声器较 传统消声器的消声性能和空气动力性能均有明显的优越性。 利用c f d 流体仿真软件f l u e n t ，对新型原理消声器进行了数值模拟仿真，模拟了 消声器的内部流场，包括流速、压力及湍动能的分布。根据模拟结果对新型消声器进 行了局部改型，并对优化后的消声器结构进行了模拟仿真计算，结果证明改进后流场 的流动性能较改进前得到了改善。 关键词：排气消声器；插入损失；压力损失；c f d t e s t i n ga n ds i m u l a t i o no np e r f o r m a n c eo f an e w t y p eo f s i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n ee x h a u s tm u f f l e r a b s t r a c t t h ee x h a u s tn o i s ei sd o m i n a n ti nt h ed i e s e le n g i n en o i s e ，a n dt oi n s t a l lt h ee x h a u s t m u f n e ri st h em o s te 娟c i e n tw a yt or e d u c ei t t h et r a d i t i o n a le x h a u s tm u f n e ri sn o r m a l l y c o n s t r u c t e db yt h ec o m b i n a t i o no fp e r f o r a t e dt u b e ，p e r f o r a t e dp l a t e ，a sw e l la se x p a n d e d c h a m b e r i ti sw i t ht h el o wn o i s er e d u c t i o np e r f o r m a n c e ，h i g he x h a u s t e dr e s i s t a n c e ，i e h i g hp o w e rl o s sa n dh i g hf i l e lc o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e r ，an e w p r i n c i p l eo fe x h a u s ts i l e n c e rf o r t h es i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n e b a s e do na c t i v en o i s er e d u c t i o nh a sb e e np r o p o s e d ，a n dt h ec o m p a r a t i v et e s t so f n o i s e r e d u c t i o np e r f o r m a n c ea n dp r e s s u r el o s sw i t hat r a d i t i o n a ls i l e n c e rw e r ec o n d u c t e d i ti sc o n c l u d e dt h a tt h en o i s e r e d u c t i o np e r f o r m a n c ea n da i rd y n a m i c so fn e ws i l e n c e ra r e b e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a lo n e t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h ei n t e m a la i rf i e l d ，i n c l u d i n ga i rv e l o c i t y ，a i rp r e s s u r e a sw e l la sa i rt u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g yd i s t r i b u t i o nw a sp e r f o r m e di ns o f t w a r ef l u e n t b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h en e ws i l e n c e rw a so p t i m i z e da n dm o d i f i e d ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ea i rd y n a m i cp e r f o r m a n c ew a si m p r o v e da f t e rt h em o d i f i e dd e s i g n k e yw o r d s ：e x h a u s ts i l e n c e r ；i n s e r t i o nl o s s ；p r e s s u r el o s s ；c f d d ir e c t e db y ：p r o f w up e i a p p iic a n tf o rd o c t o rd e g r e e ：w ux u ( m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y ) ( c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i aa g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y h o h h o t0 10 018 c h i n a ) 插图和附表清单 图1传统消声器结构简图示例 图2新i 、i 型消声器结构原理简图 图3新i i 型消声器结构原理简图 图4新型消声器三维实体图 图5消声性能试验装置结构示意图 图6消声性能现场试验照片 图71 6 0 0 r m i n 转速下消声器倍频程噪声对比图 图82 2 0 0 r m i n 转速下消声器倍频程噪声对比图 图9插入损失对比曲线图( 1 6 0 0 r m i n ) 图1 0 插入损失对比曲线图( 2 2 0 0 r m i n ) 图1 1 压力损失试验装置结构示意图 图1 2 压力损失试验照片 图1 3压力损失对比曲线图 图1 4c f d 工作流程图 图1 5 消声器计算模型及网格 图1 6 进口流速为7 2 m s 时压力分布图 图1 7 进口流速为7 8 m s 时压力分布图 图1 8 进口流速为9 8 m s 时压力分布图 图1 9 进口流速为1 l m s 时压力分布图 图2 0 进口流速为1 2 m s 时压力分布图 图2 1新i 型消声器速度分布图 图2 2 新i 型消声器左半段速度分布图 图2 3 新i 型消声器中部速度分布图 图2 4 新i 型消声器右半段速度分布图 图2 5 新i 型消声器尾管速度分布图 图2 6 新i 型消声器压力分布图 图2 7 新i 型消声器湍动能分布图 图2 8 改进后速度分布图 图2 9 改进后压力分布图 图3 0 改进后湍动能分布图 表1 表2 表3 表4 表5 表6 ：表7 表8 表9 表1 0 表1 1 1 6 0 0 r m i n 转速下a 声级及插入损失对比 2 2 0 0 r m i n 转速下a 声级及插入损失对比 新i 型消声器压力测试值 新i i 型消声器压力测试值 传统消声器压力测试值 新i 型消声器压力损失计算值 新i i 型消声器压力损失计算值 传统消声器压力损失计算值 进口全压比较表 出口全压比较表 压力损失比较表 6 6 7 8 8 9 9 m加n屹惦组毖毖毖船捣筋筋筋船舱盯卯勰约 9 9 坞m h m 坫坫捣丛纵 l互乱曩&l c x 5 吼加n 心坞m i三m蝎均加扎毖捣丝筋拍砑嬲凹 n弛粥弘踮：号盯明n 内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 奁些 日 期：一抄蔓6 导师指导研究生学位论文的承诺 工作的结果，并严格按照国家及学校有关学术道德规范的规定要求而 获得的研究结果。如果违反，我必须接受按国家及学校有关规定的处 罚处理并承担相应导师连带责任。 指导教师签名： 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研 究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手 论文作者签名： 丛些 指导教师签名： 日 段保存论文。 内蒙古农业大学硕士学位论文1 1 引言 单缸柴油机作为农用运输车及小型拖拉机等作业机械的动力，在我国拥有量相当 大，在国民经济和工农业生产中发挥了巨大的作用。但其缺点是噪声较大，不但损害 驾驶员的身心健康而且对周围环境造成严重污染。在柴油机或拖拉机的整机噪声中， 排气噪声占主导地位，因此降低排气噪声具有决定性的意义，而安装排气消声器是最 直接有效的方法，因此研究开发具有降噪效果好且排气阻力低的排气消声器，具有重 要意义n 】。 1 1 国内外研究概况 柴油机排气消声器研究涉及流体力学、传热、振动、声学等多门学科，且消声器 排气噪声频带较宽，具有一定的复杂性。由于柴油机排气温度较高，因此其排气消声 器大都用抗性消声器1 。传统的抗性消声器一般都由扩张室、内插管、穿孔管、穿 孔板和其它由这些消声器单元派生出来的单元组合而成，其结构简图如图1 所示。 面。 穿 图1传统消声器结构简图示例 f i g 1 a ne x a m p l eo fs c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f t r a d i t i o n a lm u f f l e r 目前国内外对抗性消声器的研究主要涉及消声理论、设计方法及性能试验等方 1 1 1 消声器消声理论研究 西方发达国家在消声理论方面研究起步较早，发展也较快。早在上世纪2 0 年代， 美国的s t e w a r t 就将声学滤波器的原理用于抗性消声器的研究啼一。5 0 年代，d a v i s 等 人根据截面突变处声压和体积速度连续的原理，采用一维波动方程计算了简单扩张 腔、多级膨胀腔及旁通共振腔的消声特性隋一。此后，研究人员采用声电类比的方法， 2单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 根据电学中的四端网络法，于5 0 年代后期发展了不考虑气流及温度梯度的声传递矩阵 法，为排气消声器的设计开创了新的方法，且一直沿用至今陋 引。6 0 年代以后，对于 消声器的理论研究越来越深入，逐步解决了气流与声波的相互作用、如何考虑温度梯 度的影响等问题，许多研究人员如日本的福田基一等在噪声控制技术方面做了大量的 理论和试验研究，为设计和改进消声器提供了大量的数据及理论基础n 1 。 进入2 0 世纪末，消声器理论研究又进入了一个新的高峰。1 9 9 5 年，h l u o e t a l 研 究了各种轴向部分穿孔插入管消声器的一维传递矩阵理论模型，计算了它的传声损 失，此模型对于消声器的设计具有指导作用陋3 。同年，c h a o n a n w a n g 研究了穿孔插 入式消声器的数值计算，克服了在管道开口端边界条件难于确定的困难，进行了不同 插入方式，空气平均流量和穿孔率等消声器的消声量计算归1 。1 9 9 6 年，王诗恩和高宗 英用存在声源及气流时的一维波动方程描述了抗性消声器中噪声的传播过程，建立了 抗性消声器插入损失模型，并应用于4 9 2 q 汽油机的消声器的设计计算中n 。1 9 9 8 年， 胡立臣用传递矩阵法模拟计算消声器的插入损失，用以评价包括源阻抗及尾管辐射阻 抗在内的整个排气系统的声学特性，推导出六种消声单元的传递矩阵，并应用于插入 损失计算之中n 。同年，m l m u n j a l e t a l 给出了一种用于分析反流、三通道和开口端 开有小孔的消声器的频域理论分析模型，推导出了一维传递矩阵n 舶。2 0 0 0 年，唐永琪 等在消声器性能计算过程中考虑了气流和温度梯度的影响，并采用三维谱图方法研究 气流对消声器消声性能的影响“”。 以上的一维平面波模型是对消声器内部声场的近似理论分析，当消声器截面几何 尺寸较小，且噪声频率不太高( 1 0 0 0 h z ) 的情况下，这种分析方法是适用的。但当噪 声频率提高，实验结果与理论分析均表明，在消声器腔内存在高次模式波，这时平面 波与线性化假设便不再适用，而应采取更加精确的二维理论方法来进行分析，其方法 包括：有限差分法、有限元法和边界单元法等n 钔。 1 1 2 消声器设计方法研究 消声器的设计方法主要可分为以下三大类： ( 1 ) 基于单一结构估算和试验的经验设计方法。在消声器的设计中，首先根据比 较成熟的单一声学结构计算公式设计几种消声器，然后采用试验的方法评价各种消声 器的消声性能，从中选用性能较好的消声器。这种设计方法消耗人力、物力大，产品 的开发周期长，不能有效地预测新产品性能，因此很难满足企业现代化的要求。 ( 2 ) 基于消声器整体声学参数计算的设计方法。主要用到了两种方法： 声学四端网络法n l 烀”1 ，即声传递矩阵法。根据一维平面波假设，利用声电类比 的方法，借用电学中四端网络的原理，将消声器的出口端和入口端的声压和其产生的 体积速度看作四端网络的四个参数，然后建立输入端参数和输出端参数的矩阵关系 式。这种方法对消声器消声性能的预测结果在低频时被证明是准确的，但高频时由于 内蒙古农业大学硕士学位论文3 高次模式波的存在，管道中的声波不再满足平面波的假设，因而计算结果与实际值偏 差较大。 正交设计方法“伸1 。对一系列产品进行试验评价，通过数据处理找出影响消声器 性能的主要参数，对结构参数进行优化设计，试制出性能优越的消声器，从而提高消 声器的各项指标。这样可以节省大量工作，降噪效果也较好。但这种方法总体来说还 是通过试验研究，并且不可能把影响消声器性能的所有因素与水平囊括在内。 ( 3 ) 基于内部声场数值仿真的消声器结构优化设计方法。随着计算机技术的发展 和普及，越来越多的数值分析方法应用于消声器的设计。与传统的经验设计方法比较， 基于数值仿真分析的设计方法能预测和优化消声器的性能，从而极大地减少人力、物 力消耗并缩短了产品开发周期。国内外目前应用于消声器设计的数值模拟方法主要 有：声学有限元法、声学边界元法矛d c f d ( 计算流体动力学) 等方法。 声学有限元法翻：上世纪7 0 年代有限元法开始应用于消声器的设计中，与传统 的声传递矩阵法相比，它能直接求解消声器内部的二维、三维的波动方程，并能充分 考虑到温度梯度、结构、介质的影响，因此能够求解形状复杂的消声器并能准确预测 消声器的消声性能。但是由于需要在整个求解区域内划分单元并计算，因此有限元法 的计算量比较大。 声学边界元法n4 船t 矧：与有限元法一样，边界元法是应用于求解多维问题的数值 仿真方法，其优势在于只需离散求解区域的边界进行计算，而不用计算整个区域，因 此能大大减少计算量。在离散精度相同的情况下，边界元法求解的精度要高于有限元 法。由于工程上预测消声器的消声性能只需计算出消声器进出口的声学特性，因此声 学边界元法更加适用于消声器的计算。 c f d 方法陋2 刀：近年来，计算流体力学方法在消声器设计方面的应用越来越广泛， f l u e n t 就是其中优秀的c f d 软件之一。f l u e n t 是基于有限体积法，目前功能最全面、 适用性最广的c f d 商业软件。它使用g a m b i t 作为前处理软件，可以读入多种c a d 软件 的三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。c f d 的优势在于它不受物理模型和实验 模型的限制，与实际相比，具有更多的灵活性。c f d 方法容易模拟各种特殊尺寸、高 温、有毒、易燃等真实和恶劣条件以及实验中无法达到的理想条件，从而大大节省了 实验周期及费用。 1 1 3 消声器性能试验研究 对消声器的消声性能和空气动力性能进行试验和评价也是重要的内容之一啪捌。 目前消声器试验方法通常包括两种，即实验室模拟试验和实际现场试验。实验室模拟 试验装置通常由鼓风机、噪声发生装置、加热装置、气流流速及温度控制装置等组成， 用来模拟发动机的实际排气，并在消声器的入口和出口端测试声压级及气流压力，得 到消声器的插入损失和压力损失，用来评价消声器的消声性能和排气阻力性能。例 4 单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 如山东大学的刘丽萍利用试验室方法研究了消声器内气体流速对消声量的影响，证明 了气体流速是影响消声特性的重要因素随 。实验室方法较为方便，特别是可代替发动 机台架试验来试验排气阻力，但它与实际工况仍有一定的误差。 消声器的实际现场试验是在柴油机上做消声器的性能试验。噪声通常测试对比装 与不装消声器时的耳旁噪声或最大加速环境噪声( g b t4 7 6 0 1 9 9 5 声学消声器测量 方法羽， g b t1 4 3 6 5 1 9 9 3 声学机动车辆定置噪声测量方法口如) 。排气阻力性能通 常做发动机台架试验来评价，如测试负荷特性、比油耗或调速性能。为了提高试验效 率，有人采用正交试验法、神经网络等技术。福建农业大学的翁红林利用正交试验法， 对柴油机排气消声器进行试验，用较少试验次数采集多因素、多水平的试验数据，从 试验数据的分析中得出各因素对消声性能的影响程度及范围，得出各主要结构参数对 消声器性能的影响程度1 ；华东船舶工业学院的郁飞用正交试验方法研究了柴油机排 气噪声和相关影响参数之间的关系阳引。神经网络技术近年来发展较快拍叼，由于它的自 适应性、自学习以及潜在的大规模并行处理能力，使得它在非线性系统辨识方面得到 广泛的应用。郁飞用正交试验法得到的数据作为训练样本，用模糊神经网络法对柴油 机排气噪声进行了预测阳射。成峰用b p 网络实现了柴油机排气消声器结构参数设计阳 。 1 3 存在的主要问题 综上所述，目前柴油机传统排气消声器大都采用的是抗性消声器，主要由穿孔管、 穿孔板、内插管及扩张室不同组合而成。由于扩张室和穿孔管的消声频段有限，即在 有些发动机转速下消声性能很差，且气流在通过扩张室以及穿孔板或穿孔管的小孔时 局部受阻，表现为消声性能差、排气阻力大，即发动机功率损耗严重。通常消声器的 消声量和排气阻力是一对矛盾，一味地提高消声量，往往会增加排气背压，从而增加 柴油机的功率损失。因此研究开发既消声效果好又排气阻力低的消声器，是具有一定 先进性的。对于消声器的设计，其理论计算还不够准确，与实际结果差别较大，所以在 实际设计中主要依赖经验及试验。 为此，课题组在前期的研究中提出了一种自反相抵消的新型原理排气消声器，通 过在北方一1 5 拖拉机( 发动机c c l 9 5 柴油机) 上试验证明，新型原理排气消声器消声频 带宽，且排气阻力低。其原理已申请了国家专利( 专利号：z l 2 0 0 720 1 9 3 5 2 6 1 ) 。 但前期的研究没有彻底解决其设计理论和优化设计问题。本论文就是在前期研究的基 础上，对新型原理的排气消声器进行试验及模拟分析，研究其与结构参数间的关系， 为解决其设计理论和优化设计问题奠定基础。 1 4 研究内容 ( 1 ) 根据新型消声器的原理，设计制作不同结构的消声器作为试样： ( 2 ) 对新型原理排气消声器试样及传统排气消声器进行消声性能对比试验。在不 内蒙古农业大学硕士学位论文5 同转速下，测试新型消声器及传统消声器的a 声级以及倍频程声压级，并对测试结果 进行比较分析。 ( 3 ) 对新型原理排气消声器及传统排气消声器进行压力损失对比试验。在不同进 口风速下，测量新型消声器及传统消声器的进口全压、出口全压，进而得出消声器的 压力损失，并对测试结果进行比较分析。 ( 4 ) 采用二维c f d 方法模拟计算新型消声器的压力损失，并与试验结果进行对比分 析；利用流体仿真软件f l u e n t 对新型消声器进行计算仿真，得出消声器内部的速度场、 压力场、湍动能场等； ( 5 ) 根据试验及仿真结果，对消声器进行改进设计，提出优化方案。 2 消声器消声性能试验 消声器的性能一般从两个方面进行评价，即消声性能和空气动力学性能。消声性 能一般用传递损失或插入损失来评价，空气动力学性能一般用压力损失来评价n 田。 传递损失厶r z w 传递损失的定义为：l n = 1 0 1 苎瓦y y l = l 刖一l 2 ( 1 ) 式中：l 1 入射声功率级，l 2 透射声功率级。 即消声器进口处的入射声功率级和出口处的透射声功率级之差。消声器的传递损 失只与本体结构有关，而不受源特性和尾管辐射特性的影响，是消声器研究中最常用 的性能指标。 插入损失三， 插入损失的定义为：l 儿- - - l 尸l l p 2 ( 2 ) 式中：l p l 、l 尸2 为安装消声器前后在某测点的声级。 即安装消声器前后在某固定测点处测得的声压级之差。由于插入损失便于现场测 量，非常实用。在测量未安装消声器的排气噪声时应在排气管口加装一段与消声器等 长的空管，以保证在安装消声器前后测点不变。 压力损失凹 压力损失的定义为：a p = b l b 2 ( 3 ) 式中：b l 、b 2 为进口端和出口端的平均全压。 压力损失就是待测消声器存在平稳气流时，消声器进口端与出口端平均全压的降 低量。在进口和出口端管道的平直部中部，各选一个测量截面，在给定气流速度下分 6 单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 别测出两个截面上的全压，求出平均全压，由消声器两端平均全压的降低量得出压力 损失。 本文是采用插入损失来评价消声器的消声性能，采用压力损失来评价消声器的空 气动力学性能。 2 1 新型原理消声器介绍 本文在研究过程中，基于自反相抵消的新型消声原理设计了三款不同结构和尺寸 的消声器试样( 简称：新i 型、新i i 型、新i i i 型) ，其结构简图如图2 、3 所示，新型 消声器三维实体图如图4 所示。 1 进气管2 外管3 径向孔4 隔板5 扩张室6 内管7 排气尾管 图2 新i 、1 i l 型消声器结构原理简图 f i g 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fm o d e lia n di i im u f f l e r 1 进气管2 外管3 径向孔4 隔板5 扩张室6 内管7 排气尾管 图3 新i l 型消声器结构原理简图 f i g 3 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fm o d e l1 1m u f f l e r 图2 是新i 型和新i i i 型消声器结构原理简图。i 型和i i i 型消声器的结构原理相 同，只是局部尺寸不同。新i 型消声器在内外管直径、扩张室面积、径向孔开口大小 均比新型消声器大，但它的排气管尾管部分要小于i i i 型。图3 是新i i 型消声器结构 原理简图。相比前两种消声器，新i i 型消声器结构在两处使内外管之间封闭，使得气 流必须全部通过径向相对矩形孔才能排出。 内蒙古农业大学硕士学位论文 乡卸矩形孔 划查圭堕 。尸德嚣：i i i 黧! 。 新型消声器主要由进气管1 、外管2 、内管6 、扩张室5 、径向孔3 、隔板4 和排 气尾管7 组成。其工作原理是：气流从进气口l 进入，经锥面导流后自动分配，其中 从径向相对开的两长孔3 ( 相位差1 8 0 。) 进入的气流及声波在中心处相遇，由于相 位相反，相互抵消消声。并使气流速度降低( 理论上抵消为零) ，由于所开矩形孔为 大孔，气流通过该孔时压力损失很小，因此排气阻力低，而且不管发动机的转速如何， 他们总是反相抵消，因此都可消声和减低排气流速。另外声波在通过消声器时，经过 了几次扩张得到了进一步消声。 22 消声性能试验 消声器的消声性能依据g b 4 7 6 01 9 9 5 消声器测量方法。2 的规定进行测试，即 按照“管口法”来测定消声器的插入损失。如图5 所示，测点布置在与消声器排气 口轴线成4 宇角、距排气口中心1 米处。试验在一小四轮拖拉机上进行，其发动机为 五菱牌s 1 1 1 5 单缸柴油机( 超负荷功率：1 61 8k w ，额定转速：2 2 0 0 r m i n ) 。试验场 地选择空旷的停车场进行，消声器周围十米内均无反射面。此外，为防止排气噪声外 的其它噪声的影响，制作了一隔声板，将消声器尾管引出隔声板来测量排气噪声，现 场测试如图6 所示。 单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 ，。兽j 。嚣善慧瓣：慧翟。，。一。 。尝：。慧：缴慧黧。 排气噪声采用n d 2 型精密声级计测试，测试前用活塞发声器进行了校准为了防 止风的影响以及废气气流的冲击，试验时传声器戴了防风罩。就装原机传统穿孔管式 消声器和新型消声器时的排气噪声在柴油机转速1 6 0 0 r m i n 及额定转速2 2 0 0 r i n 两种转速下分别进行了测试，测试a 声级及倍频程声压级，并在线性计权下对噪声信 号进行了记录。 23 试验结果及分析 各型消声器在转速1 6 0 0 r m i n 和2 2 0 0 r i n 下的噪声铡试结果如表1 、2 所列。安 装空管、原机传统及三种新型结构的消声器倍频程噪声频谱对比图见圈7 、8 ；各频段 精声量的对比曲线见圈9 、l o 。 堕曼直墨些查兰堕主兰篁丝塞! 。盎。撇：勰鬈懋慧蕊，。 1 2 0 1 0 。 8 0 扣 4 。 2 。 ：。耋翟。o o r 。m 。i n ：黧i 鬻! 羹：慧黜。 舯加仙 3 156 31 i52 5 05 0 010 0 02 0 0 04 0 0 0 8 0 0 01 6 0 0 0 十o m ，h z w ! 二呻1 6 0 0 r m ，：鬻夏慧篙慧嚣黧m m 猢一 1 0 单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 乏 纠武 。_ 冀 2 5 05 0 01 0 0 02 0 0 0 4 0 0 08 0 0 01 6 0 0 0 中心频率h z 图9 插入损失对比曲线( 1 6 0 0 r m i 九) f i g 9 c o n t r a s tg r a p ho fi n s e r t i o nl o s s 3 1 56 31 2 52 5 05 0 01 0 0 02 0 0 04 0 0 08 0 0 01 6 0 0 0 中心频率h z 图1 0 插入损失对比曲线( 2 2 0 0 r m ir 1 ) f i g 10c o n t r a s tg r a p ho fi n s e r t i o nl o s s 试验结果分析： ( 1 ) 从表1 可以看出，在柴油机转速1 6 0 0 r m i n 下，新型消声器的消声效果比较突 出，可达至u 5 d b ( a ) ，而传统消声器以及新i 型和新i i 型消声器在该转速下，除了没有 降低噪声，反而使噪声增加。 ( 2 ) 从表2 可以看出，在柴油机额定转速( 2 2 0 0r m i n ) 下，新i 型和新型的消 声器具有比较好的消声效果，可以达5 5 d b ( a ) 和4d b ( a ) 的消声量。分别比传统 消声器的插入损失提高了4 d b ( a ) 和2 5d b ( a ) 。新i i 型的消声器消声效果则不明 显，其插入损失仅为0 5d b ( a ) 。 ( 3 ) 由图9 可看出，在柴油机1 6 0 0 r m i n 转速下，在低频段内新i 型和新i i 型以及 传统消声器都有明显的降噪效果，新i 型最为突出，消声量最大可以达至i j l 8 5 d b 。在 中频段新i 型、新i i 型及传统的消声效果不明显，而它们在高频处不降反会增加噪声 量。相反型消声器可以在中、高频内有比较好的消声效果，其中最大可以达到l o d b 。 ( 4 ) 由图1 0 可看出，在柴油机额定转速下，在中心频率3 1 5 1 2 5 h z 范围内，新i i o o o o o o o ： ， 1 屯 吗 叫 p要 _ 图1 4c f i ) 工作流程图 f i g 14w o r k i n gf l o wc h a r to fc f d 芋 18 单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 具体为： ( 1 ) 建立控制方程。在求解任何问题前，必须先设置控制方程，如连续性方程、 动量守恒方程、能量守恒方程等。 ( 2 ) 确定初始条件与边界条件。初始条件与边界条件是控制方程有确定解的前提， 控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成对一个物理过程完整的数学描述。 初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况。边界条件是在 求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。对于初始条件和 边界条件的处理，直接影响计算结果的精度。 ( 3 ) 划分计算网格。采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空 间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间区域上离散控制方程， 必须要使用网格。目前，网格分为结构网格和非结构网格两大类。 ( 4 ) 建立离散方程。通过数值方法把计算域内有限数量位置( 网格节点或网格中心 点) 上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未知量的代数方程 组，通过求解代数方程组来得到这些节点值，而计算域内其他位置上的值则根据节点 位置上的值来确定。 ( 5 ) 离散初始条件和边界条件。前面所给定的初始条件和边界条件是连续性的， 现在需要针对生成的网格，将连续性的初始条件和边界条件转化为特定节点上的值， 从而建立离散的控制方程，对方程组进行求解。 ( 6 ) 给定求解控制参数。给定流体的物理参数和湍流模型的经验系数等。 ( 7 ) 求解离散方程。 ( 8 ) 判断解的收散性。计算过程中，会因为网格形式、网格大小等原因导致解的 发散。在迭代过程中，要对解的收敛性进行实时监视，达到指定精度后，迭代过程结 束。 ( 9 ) 显示和输出计算结果。 4 2 流体力学基本理论 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量 守恒定律、能量守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运 方程。控制方程是这些守恒定律的数学描述。 本文所研究的消声器就是基于上述理论，在消声器研究过程中采用了标准k 一占 模型求解问题，所以它的控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、k 方程 和s 方程。 ( 1 ) 质量守恒定律可以表述为：单位时间内流体微元中质量的增加，等于同一时间 间隔内流入该微元体的净质量。由此可推导出质量守恒方程为： 内蒙古农业大学硕士学位论文1 9 o _ e _ p + d v ( p 云) ：0( 4 ) 式中：p 一密度，k g m 3 ； 卜时间，s i 以广散度，即d i v ( p f f ) = a ( f , u ) o x + o ( p v ) 砂十a ( p w ) o z ； u 、矿、r 速度矢量霸在j 、y 和z 方向的分量，m s 。 质量守恒方程通常又被称为连续性方程。 ( 2 ) 动量守恒定律实际上就是牛顿第二定律，该定律可表述为：微元体中流体的 动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。动量守恒方程为： 掣+ d i v ( 眦) = d i v ( “g r 删d 一字o x 峨 d r r 式、 _ a ( p - v ) + d 1 ，( p v f f ) = 挑( i xg r a d v ) 一挈+ 品 优 砂 ( 6 ) 掣+ d i v ( p w f f ) = d i v ( “g r a dw ) 一宅+ 岛 a z仍 ( 7 ) 式中：g r a d ( ) = o o o x + a ( ) 砂+ a ( ) o z ： 旷流体微元体上的压力，p a ： p 一动力粘度，p a s ； s 、5 卜一动量守恒方程的广义源项。 ( 3 ) 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律可表 述为：微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所 做的功。该定律实际是热力学第一定律。以温度t 为变量的能量守恒方程为： 掣+ 挈+ 等+ 掣= 丢邕势参陋豺孤o xo 昆t ) + 品 a 反 砂 昆 盘lc ，良j 咖lg 咖勿lc ，昆7 1 式中，f 尸是比热容，为温度，七为流体的传热系数，s 为流体的内热源及由于粘性 作用流体机械能转换为热能的部分。 ( 4 ) 标准七一s 湍流模型控制方程 消声器内部气流流场属于湍流，在计算中选用标准k s 湍流模型，其湍动能七 和耗散率方程为： 掣+ 掣= 熟p + 期豺q 叩+ 掣+ 掣= 毒陋等矧k & 屯p k + 瓯 研 阮 缸，仃。i 坨。n 。 ( 9 ) ( 1 0 ) 2 0 单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 其中 g k = 一p u 砖蠹 ( 11 ) 式中：靠一由时均速度梯度而产生的湍流动能，j ； 口。，口，一七方程和方程的湍流p r a n d t l 数； s 。、s 。一源项，这里是粘性应力和湍动应力，n m 2 。 k s 模型中使用的有关常数分别为c ，。= 1 4 4 ，c ：。= 1 9 2 ，c 。= 0 0 9 ，仃。= 1 0 ， 仃。= 1 3 。 4 3 消声器流场仿真 通过第三章、第四章中对传统消声器与新型消声器的消声性能和压力损失的试验 对比分析可以得到，新i 型消声器在整个频率段内具有比较好的消声效果，同时其压 力损失计算结果也比传统和新i i 型的要好。因此，下面的分析只对新i 型消声器进行 模拟仿真分析。 4 3 1 流场仿真计算 在消声器的仿真过程中，为了使问题简化，作如下假设： 消声器流体区的物理性能参数均为常数； 流动为定常流动中的湍流； 不考虑重力的影响； 消声器入口速度为匀速，没有脉冲影响。 通过前边的内容可以知道，流场仿真过程主要有以下几步来完成。 ( 1 ) 实体模型的建立 数值计算几何模型根据新i 型消声器的实际尺寸进行建立，由于新型消声器结构 关于平面对称，所以应用f l u e n t 软件的前处理g a m b i t 软件来建立其二维图形。在 g a m b i t 中建模时，首先生成消声器各部分的关键点，由关键点生成相应的线和面。 ( 2 ) 网格的划分 网格划分可分结构网格和非结构网格，网格划分技术应具备下列特点：( 1 ) 网格 生成过程直观明了、简单易行、效率高、自动化程度好。( 2 ) 通用性、普适性好，对 复杂外形、复杂流动的适应能力强。( 3 ) 网格几何灵活性好，尺度变化易于控制，网 格自适应加密简便易行。 在消声器的网格划分过程中，本文选择了结构网格和非结构网格两种网格划分方 式来对消声器进行划分。在消声器内管的锥面处选择非结构化网格，其余处选择结构 化网格。在消声器的进口、出口、内管径向孔、隔板开孔处网格划分的精度较高。计 算模型及网格如图1 5 所示。 堕蔓直壅些查兰堡主兰丝堡塞垫 圈1 5 计算模型及田捂 f 培1 5m o d e l 锄d f l d ( 3 ) 流体区域及边界条件的设置 网格划分好以后，还需将进、出口和各种流体区域定义好。本次数值模拟将整个 计算区域分成了四个流体区域：进口、左半腔、右半腔、出口。在进口处施加速度边 界条件( v e l o c i t y i n l e t ) ，在出口处施加压力出口边界条件( p r e s s u r e o u t l e t ) ，出 口边界为大气压。设置其它壁面为绝热且无摩擦的无滑移壁面边界条件( w a l l ) 。 ( 4 ) 数值计算方法 采用有限体积法离散控制方程，对消声器二维定常流场进行分离式隐式求解。考 虑流体粘性的影响，计算时采用标准膏一f 两方程模型。采用无滑移壁面边界条件， 近壁区的流动模拟采用标准壁面函数，动量、湍动能和耗散率的离散格式均为计算精 度较高的二阶迎风格式，压力一速度耦合采用s i m p l e 算法求解。 消声器的流场仿真计算的边界条件依据消声器压力损失试验实际测试结果设定， 这样更有利于与试验结果对比。 432 模拟与试验验证 分别设定进口速度边界条件为72m s 、7 8m s 、98m s 、1 1m s 、1 2m s ， 对新i 型消声器进行流场模拟，计算消声器的压力损失。目的是通过模拟的压力损失 结果与试验的结果进行比较，验证c f d 方法的可行性。 通过建模、划分网格、确定边界条件、c f d 计算和数据后处理，得到新i 型消声 器在不同进口流速下消声器内部的压力分布结果。如图1 6 2 0 所示。 单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 蘸 。11 ；，怒薯黧：篙慧：写。， ，。：1 ：。! ：舞盖i 。7 。8 。r c 。s ，”o 。8 i b ”i n ”l e t 8 ：7 8 s r r d 。 田1 b 进口流速为9b i s 时 * 布目 一 内蒙古农业大学硕士学位论文 2 3 6 - 0 2 啦：1 ；。翌震黧：篡嚣黧麓! 。 圈2 0 进口流速为1 2 r n s 时压力分布图 f i 2 0p f 怫u d l s 曲面叫( v c i o c 耐m l d t 2 r “s ) 模拟计算结果与试验结果比较： 表9 、1 0 、1 1 分别为新1 型消声器在进口流速为7 2m s 、78m s 、98 m s 、 i i s 、1 2m s 时的进口全压、出口全压、压力损失的模拟结果和试验结果比较表。 型至篮昱主鉴。丝 进口流速( m s ) 72 7 898 l l1 2 2 4单缸柴油机新型排气消声器试验与仿真研究 表1 0 出口全压比较 ! 璺垒! ! ! q 2 翌巳坚i ：2 翌2 1 卫! ：竺堡2 坐! 垒 进口流速( m s )7 2 7 89 8l l1 2 表”压力损失比较 ! 呈! ! ! ! l2 里巳驾i ：2 翌2 12 1 1 i ! ! ! ! 1 2 j ： 一一 进口流速( m s ) 7 27 8 9 81 11 2 误差分析： 从c f d 方法和试验得到的压力损失结果可看出，两者的数据符合程度比较好，误 差率介于2 4 一1 1 9 ，且趋势一致。但仍有一定的误差，分析其原因是： ( 1 ) 实际的消声器制造精度不高。比如消声器内部的光洁度比较差，在工件边缘 有毛刺等，实际加工和理论模型有差距。 ( 2 ) 存在测试误差。在消声器进口流速和压力损失测试过程中，开机前后的温度 差造成橡胶连管内部的压力变化影响实际的测试结果，测试过程中的皮托管的位置精 确度也影响消声器的压力损失测试结果。 ( 3 ) 在模拟过程中消声器内部的空气看作是不可压缩的，而实际消声器内部的气 体密度不是常数，存在一定的误差。 ( 4 ) c f d 计算压力损失过程中，采用的某些边界条件和消声器实际测量过程中的 条件不同，存在定的误差。 ( 5 ) 网格划分的精确度影响消声器的c f d 仿真结果。 ( 6 ) 压力损失的计算是由进、出口压差决定的，所以压力损失的误差比进口全压 和出口全压的误差偏大。 通过模拟与试验验证，c f d 方法总体上可以较好的模拟仿真消声器实际内部流场 的变化。通过模拟与试验对比发现，当进口速度为1 1m s 时，进口全压和出口全压 的误差率为2 4 和6 7 ，压力损失计算结果的误差率仅为4 0 。相比较其它进 口流速条件下，其误差率最小。因此，接下来在新i 型消声器其它流场模拟分析中， 本文选取了模拟与试验对比中误差率