（环境工程专业论文）柴油机排气净化消声器总体性能研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 降低柴油机的噪声及有害气体排放是当今世界的一项重要研究课题。排 气净化消声器不仅能够实现柴油机尾气净化和排气噪声控制双重功能，而且 还可以节省空间，因而具有广泛的应用前景。本文对柴油机排气净化消声器 的声学性能、流场分布、阻力损失和净化效果进行了系统研究。 基于粘性流中的声传播理论，建立了微小孔道和催化载体的传递矩阵， 进而计算催化载体的声学性能。根据催化转化器的结构形式，将其分为两部 分：连接空腔和催化载体，分别用有限元法和传递矩阵法对这两部分建立数 学模型，并由连续性条件将它们耦合在一起，从而计算出整个催化转化器的 传递损失。通过催化载体的传递损失计算结果与实验测量结果的比较，验证 了本文方法的正确性。 将催化载体作为多孔介质，建立了催化转化器的流动模型。使用计算流 体动力学软件模拟计算催化转化器的流场分布和压力损失，分析了载体参数、 气流速度、入口锥角等因素对催化转化器流场分布的影响，为催化转化器的 结构优化设计提供参考。 将催化转化器的各种化学反应机理与控制方程一起构建了催化转化器的 数学模型，分别建立了氧化催化转化器载体单孔道模型和整体模型，使用 c f d 软件并从化学反应动力学角度进行了分析，得到了有害组分的转化率随 温度的变化规律以及有害成分在孔道内的质量分布图，为催化剂活性组分涂 覆提供参考。 设计了一款柴油机排气净化消声器，并对其声学性能、阻力损失和净化 效果进行了模拟计算分析，研究了进口方式、内部连接管和管口导流对净化 消声器总体性能的影响。 关键词：柴油机；排气净化消声器；声学性能；阻力损失；净化效果 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t i ti si m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c tt or e d u c et h ed i e s e le n g i n ee x h a u s te m i s s i o n a n dn o i s ei nt h et o d a y sw o r l d t h ee x h a u s tc a t a l y t i cs i l e n c e r sh a v ew i d ep o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nv i e wo ft h e i rd u a lf u n c t i o n so fe x h a u s te m i s s i o nr e d u c t i o na n d n o i s ec o n t r o l ，a n dm a ys a v et h es p a c ea sas i n g l ed e v i c ei nt h ee x h a u s ts y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e st 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 e ，f l o wd i s t r i b u t i o n ，f l o w r e s i s t a n c el o s sa n dp u r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee x h a u s tc a t a l y t i cs i l e n c e r s b a s e do nt h es o u n dp r o p a g a t i o nt h e o r yi nt h ev i s c o u sf l o w ，t h et r a n s f e r m a t r i c e so ft h ec a p i l l a r yt u b ea n dc a t a l y t i cm o n o l i t ha r eb u i l ta n dt h e nm a yb e u 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 np e r f o r m a n c eo fc a t a l y t i cm o n o l i t h a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r eo ft h ec a t a l y t i cc o n v e r t e r , i ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s ： t h em o n o l i t ha n dt h ec o n n e c t e dc a v i t i e s t h ea c o u s t i cc a l c u l a t i o nm o d e l so ft h e t w o p a r t sa r eb u i l tu pb yu s i n gt h et r a n s f e rm a t r i xm e t h o da n dt h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o dr e s p e c t i v e l y , a n dt h e nt h e ya r ec o u p l 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 s o ft h ec a t a l y t i cc o n v e r t e r t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o ni s t h e nc o m p a r e dw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l to fac a t a l y t i cm o n o l i t ht ov a l i d a t et h et h e o r yo ft h i sp a p e r am o d e lo ft h ef l o wf i e l di nt h ec a t a l y t i cc o n v e r t e ri se s t a b l i s h e db yt r e a t i n g t h em o n o l i t ha sp o r o u sm e d i a t h ef l o wf i e l da n dp r e s s u r el o s si ss i m u l a t e dw i t h t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) s o f t w a r e t h ee f f e c t so fm o n o l i t h p a r a m e t e r s ，g a sv e l o c i t ya n di n l e tc o n i c a la n g l eo nt h ef l o wf i e l da r ea n a l y z e da n d d i s c u s s e d ，w h i c hm a yb eu s e dt og u i d et h eo p t i m u md e s i g no fc a t a l y t i c t h em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db yc o m b i n i n gd i f f e r e n tc h e m i c a l r e a c t i o nm e c h a n i s m sw i mt h eg o v e r n i n ge q u a t i o n s t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fa s i n g l ec h a n n e la n dt h ew h o l em o n o l i t ho ft h eo c ca l eb u i l tu pr e s p e c t i v e l y i n t h i sp a p e r , t h ea n a l y s i si sc o n d u c t e df r o mt h ep o i i l to fv i e wo fc h e m i c a lk i n e t i c s b yu s i n gc f ds o f t w a r e t h er u l eo fc o n v e r s i o nw i t ht h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ef o r c n a n n e la r eo b t a i n e d ，w h i c hc o u l dp r o v i d ea g u i d ef o rt h ec o a t i n go ft h ec a t a l y s t a ne x h a u s tc a t a l y t i cs i l e n c e ro fd i e s e l e n g i n ei sd e s i g n e d t h ea c o l l s t i c a t t e n u a t i o np e r f o r m a n c e ，f l o wr e s i s t a n c el o s sa n de m i s s i o nr e d u c t i o ne 佑c i e n c v a r ep r e d i c t e da n da n a l y z e d t h ee f f e c t so f i n l e to r i e n t a t i o n , i n t e n l a lc o i m e c t i i l g t u b e sa n dt h ef l o wg u i d i n ga n n u l u s e so nt h eo v e r a l lp 娟加怕n c e p a r 锄e t e r so f t h ee x h a u s tc a t a l y t i cs i l e n c e ra r e i n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：d i e s e l e n g i n e ； e x h a u s t c a t a l y t i cs i l e n c e r ；a c o u s t i c甜e n u a t i o n p 耐b n l l a l l c e ；f l o wr e s i s t a n c el o s s ；e m i s s i o nr e d u c t i o ne f f i c i e n c y 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 本声明的法律结果由本人承担。 日期：2 0 0 8 年乒月日 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 柴油机尾气污染及其控制措施 1 1 1 柴油机尾气有害成分及其生成机理 柴油机尾气中有害成分主要有：一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物h c 、微粒 ( d s + s o f ) 、氮氧化合物( n o x ) 、二氧化硫s 0 2 及臭气等u 1 。 c o 是由于燃料混合气中0 2 量不足或不均匀燃烧而产生的，高温有氧条 件下可迅速地氧化成c 0 2 ，与混合气的燃空比关系很大。c o 进入肺部被血 液吸收后能与血红蛋白( m ) 结合使血红蛋白( m ) 失去输氧能力导致人体 各部分缺氧，造成低血氧症。 h c 主要是未燃烧的燃料烃、不完全氧化的产物以及燃烧过程中部分燃 料被分解的产物。它包括很多种类的碳氢化合物，饱和烃、不饱和烃、含氧 碳氢化合物等，成分十分复杂。但就柴油机排气中的h c 主要是来源于室壁 冷激效应及充量不完全燃烧。润滑油对h c 的数量也有影响，主要是吸附在 碳粒上的称之为可溶性有机物( s o f ) 。h c 是光化学烟雾成分之一，含有多 环芳烃( 醛和苯并芘) ，有巨大的致癌性，且部分烃类可刺激人的眼睛及呼吸 器官，造成呼吸网难。 颗粒物p m 指的是在取样状态下排气中除水分以外所有分散物质( 固态、 液态) 的总称，是柴油机最为主要的污染物。美国环保局对颗粒的定义是： 稀释到5 1 7 以下的柴油机排气流过带有聚四氟乙烯树脂的滤纸时，被滤纸 所滤下的物质。柴油机的微粒主要包括：固态碳基颗粒( d s ) 、可溶性有机 物( s o f ) 及无机物( 硫酸盐类) 。微粒中的碳颗粒主要是由柴油机在高压燃 烧的条件下，局部的高温、缺氧、裂解并脱氢而形成的以碳为主要成分的微 小颗粒。微粒中的碳颗粒所占的比例与柴油机的运行状况有关，一般柴油机 高负荷运转时以碳颗粒为主，怠速或小负荷运转时以碳氢化合物为主。影响 柴油机微粒排放的因素有：燃油的品质、过量空气系数、燃油雾化质量、混 合气形成与燃烧速度、喷油时刻等。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 s o x 来源于燃料及窜漏的润滑油中含有的s ，它可经氧化生成s 0 2 进而 被氧化成s 0 3 ，生成硫酸盐类。它容易被人体吸入，沉积于肺中，并导致癌 症肿块的形成。 n o x 主要是n o ，约占n o x 的9 8 ，由空气中的n 2 和0 2 在燃烧室内的 高温高压环境下反应生成的，根据生成机理的不同可分为热力氮、燃料氮和 瞬态氮。影响n o x 生成因素主要有：燃烧室的温度、氧的浓度和滞留时间。 n o x 是光化学烟雾的主要成分，能使人中毒引起中枢神经瘫痪及痉挛，导 致肺气肿和支气管炎，严重时致人死亡，还会产生恶臭。 1 1 2 柴油机尾气有害物的控制措施 根据柴油机各污染物的生成机理，对柴油机的排放控制可分为以下三种 方式：燃料的前处理、机内控制和机外控制。 燃料的品质对柴油机排放影响至关重要，特别是在我国普遍存在柴油品 质低、含硫量高等问题。虽然我国政府己规定2 0 0 8 年8 月1 日起实行国i i i 排 放标准，但相应国i 燃油目前市场上还没有出现。在国外上世纪中期开始开 发汽油机用乙醇作为替代能源已取得很好的效果，但是由于醇类十六烷值太 低、自燃温度高、气化潜热大、黏度低、润滑性差、挥发性大等理化性质和 柴油差别很大，在柴油机中掺烧醇类或使用纯醇燃料还比较困难拉。目前运用 最多的新燃料是液化石油气( l p g ) 和液化天然气( l n g ) 。 多年以来人们试图通过优化柴油机结构来改善燃烧，从源头遏制污染。 运用最多的技术有：多气门技术、燃烧系统改进、废气再循环( e g r ) 、推迟 喷油提前、高压共轨喷射、小直径多孔喷射、增压中冷等。其中，多气门技 术、推迟喷油提前角早已开始运用，其中效果最好的是废气再循环和增压中 冷技术联合运用。 机内净化技术尽管对降低排气污染物起到了很大作用，但效果是有限的， 对于柴油机来说，不均匀的油气混合气和压缩自燃方式很难从根本上减少碳 氢燃油脱氢碳化而生成的碳烟微粒，而降低其n o x 排放措施往往使降低微粒 排放与燃油消耗相矛盾。在工程实践中常常限于寻求最佳折中而已，且不同 程度地给柴油机的动力性和经济性带来了负面效应。排放法规的同益严格， 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 仅仅依靠机内净化技术已不能满足要求，必须借助机外控制技术，1 相应的机 外净化技术有催化转化器和微粒捕集器等。 催化转化器是利用转化器中的催化荆加速废气中的有害成分h c 、s o f 、 c o 和n o x 的氧化、还原反应，将有害物转化为h 2 0 、c 0 2 和n 2 的一种反应 器。根据不同类型发动机所使用的情况，催化转化器大致有以下几种类型。 1氧化型催化转化器 图11 所示的为车用简单的氧化催化转化器( o c c ) 。它可以降低排气中 的h c 和c o ，还可以降低排放颗粒物中s o f 的含量而降低总的颗粒排放。 o c c 对微粒的去除效果远不如微粒捕集器( d p f ) ，但由于s o f 中的碳氢化 合物的着火温度较低( 1 7 0 c 以下就可反应) ，不需要昂贵的再生系统，使得 投资费用较低。但另一方面，o c c 的催化转化效率极大地依赖于排气温度和 柴油中的硫含量( 高的排气温度有助于s o f 的氧化，但s o x 和燃料中的s 转化为硫酸盐的速率也将加大，反而有可能使总的微粒排放增加) ，因此o c c 不是降低柴油机排放物后处理技术的主流u “”。 蚕矽 图1 1 柴油机氧化催化转化器 2还原型催化转化器 由于柴油机是富氧燃烧，排气中氧的含量很高，h c 和c o 的含量较低， 因此降低汽油机排气中的三元催化转化器技术对柴油机不太适用，而n o x 在 非催化条件下分解为n 2 和0 2 的速度相对较慢，故而就目前技术水平而言， 哈尔滨二l 程大学硕士学位论文 降低柴油机排气中的n o x 的方法只能是向排气中加入还原剂，对n o x 进行 还原分解。还原n o x 的方法通常有选择性非催化还原( s n c r ) 、非选择性催 化还原( n s c r ) 和选择性催化还原( s c r ) 三种方法。其中s c r 技术在柴 油机上的运用最为广泛。以氨、氨水和尿素作为还原剂的选择性催化还原系 统，可以降低柴油机排气中的大部分n o x ，也能降低部分h c 。与氨和氨水 相比，尿素更易携带，而且不具有刺激味。因此，以尿素为还原剂的s c r 技 术被认为是最具有应用前景的柴油机后处理技术“。 3双床催化转化器 双床催化转化器是由两个串联的催化转化器组成，可以安装在一个壳体 内，也可以安装在两个壳体内。废气先流经还原型催化转化器，然后与二次 空气一起流经氧化型催化转化器。在还原型催化转化器中，n o x 与浓混合气 燃烧产生的h c 及c o 反应而被还原：而在氧化催化转化器中，h c 和c o 则 被氧化。由于废气先通过还原型催化转化器，故要求这种发动机必须工作在 浓混合气状态下，使得燃油消耗率较高。另外，在缺氧的还原型催化转化器 中，废气中游离h 与部分n o x 反应生成n h 3 ，而部分n h 3 在氧化型催化转 化器中又重新被氧化成n o 。因此这种催化转化器对n o x 的净化效果不好， 目前己很少使用。 疆 罔1 2 简单壁流式微粒捕集器 哈尔滨工程人学硕士学位论文 柴油机微粒捕集器是柴油机微粒排放后处理的主要方式，它是由收集排 气微粒的滤芯和各类周期性的把滤芯中积存的微粒烧掉或氧化掉的再生系统 ( r e g e n e r a t i o ns y s t e m ) 所组成。图1 2 为一款简单微粒捕集器。微粒捕集器 的关键技术是过滤材料或过滤体的再生。对过滤材料的要求是高的微粒过滤 效率、低的排气流动阻力和较高的机械强度。但是，过滤效率和流动阻力是 互相矛盾的，选择材料时要综合考虑两方面的性能。国外在过滤材料上的研 究已经取得了突破， ：现了商品化的产品。国内在过滤材料上的研究与国外 的有较大的差距，其主要原因在于过滤材料的研究需要较高的工艺水平和雄 厚的资金投入。 总体而言，目前能满足要求的过滤材料有以下两种：金属丝网和陶瓷， 其中尤以陶瓷材料达到了普遍共识，如图1 3 所示。它能在单位容积内给出 最大的过滤面积，能承受高温，坚固且寿命长。 微粒捕集器 陶瓷戴体 化后的： 图l3 捕集器陶瓷载体剖面图 除催化转化器和微粒捕集器外，近年来等离子技术在环境污染处理方面 的应用研究引起了人们极大的关注“1 ，其中许多技术已经商品化，取得了较好 的经济效益和社会效益，被认为是环境污染物处理领域内最有发展前途的技 术之一，如国内外利用脉冲电晕去除发动机尾气排放中的c o 、n o x 和i - i c 排放的研究已经取得了一定的成果。但目前低温等离子技术在柴油机尾气控 制中较多的是将其用于排气微粒的捕集，其主要依据在于柴油机排气微粒中 有7 0 0 一8 0 ( 以质量计) 是带电的“，。等离子体静电微粒捕集装置流动阻力 小，对发动机的性能影响较小，这是传统微粒捕集器所没有的，而且具有较 高的捕集效率，能解决微小颗粒难于捕集等优点。但是这种技术设备体积庞 移 哈尔滨工程人学硕十学何论文 大，结构复杂及成本较高，在车用上更有高压电电源供给问题，因此，该项 技术的商品化，还需进一步的研究。 在现在的柴油机排放控制方面，往往是几种技术或装置的联合运用，如 目前运用最广的是高压共轨喷射技术，涡轮增压中冷加e g r ，末端加装s c r 加微粒捕集器d p f 技术，或o c c 加微粒捕集器d p f 技术等。 1 2 柴油机排气噪声及其控制措施 柴油机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声和气体动力性噪声情川。气体动力 性噪声，主要包括进气、排气和风扇噪声，其中排气噪声是最大的噪声源， 它的声级往往比发动机整机噪声高1 0 1 5 分贝，是一个高能、频谱复杂的噪 声。排气噪声主要成分包括基频排气噪声、涡流噪声、气柱共振噪声等儿”。 1 基频排气噪声 在柴油机排气门刚开启时，具有较高压力的气体从气缸内喷出，气流冲 击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力剧变而形成压力波，压力波 动由于排气门的周期性开闭而呈周期性变化，因此产生周期性的低频噪声， 其频率为： 厂：旦 ( 1 1 ) 。 3 0 r 式中：厂基频噪声的频率，h z ； f 气缸数； 刀柴油机转速，r m i n ； f 冲程数。 周期性排气噪声具有离散性频谱特征，其脉冲强度可用傅立叶级数展开。 周期性排气噪声是一种简单源噪声，其辐射的声功率可用下式给出： w = k p d 2 1 ，2 m ( 1 - 2 ) 式中：j | 比例常数； p 气体密度，k g m 3 ； d 气门口直径，i l l n l ； 1 ，气流速度，m s ； 6 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 m 马赫数。 2 涡流噪声 涡流噪声是由高速气流通过排气门和排气道时产生的。在排气f - jne j 打开 时气缸内气体压力为排气管内压力的2 倍左右，排气处于超临界状态，以声 速急速流经环行气门喉口，从而产生剧烈的涡流运动，并与气门头附近排气 管道产生强烈的撞击。随着气门开度的加大，气体的流动变为亚声速流动， 由于气流粘滞力的作用，使周围气体发生旋转，形成涡流，并辐射出涡流噪 声。涡流噪声的频率可以用下式表示： f = 反i v ( 1 - 3 ) 上， 式中：厂涡流噪声的频率，h z ； 玩斯特劳哈尔数； 1 ，一气流速度，m s ； d 排气气门开启时的等效直径，m i i l 。 由于，和d 连续地变化，涡流噪声的频谱为连续频谱且主要是高频噪声， 其辐射的声功率为： w ”= k p d 2 v 3 m ( 1 4 ) 3 排气道内气柱共振噪声 在排气门开启过程中，气缸容积与排气管组成共振系统，产生气柱共振 噪声，其共振频率为： ， c 2 芴 ( 1 - 5 ) 式中：c 声速，m s ； ，排气管直径，m n l ； 圪气缸工作容积，l ； 卜一一排气管长度，m 。 在排气门关闭的过程中，排气管可视为是一端封闭、一端开启的管道， 它产生的气柱共振频率为： 五= ( 2 n - 1 ) 专 刀2 1 ，2 ，3 ( 1 - 6 ) 7 哈尔滨：i ：程大学硕士学位论文 气门开启时的气柱共振噪声远大于气门关闭时的共振噪声，气柱共振噪 声通常为低频噪声。 此外，排气噪声还包括：排气门开启及落座时机械振动产生的噪声、排 气管内壁面处的摩擦及紊流噪声、气缸内燃烧压力波动的残余部分所产生的 噪声等。实验表明，它们占柴油机的排气噪声比例很小。 在没有进行消声处理之前，发动机排气系统是最重要的噪声源。控制发 动机排气噪声最有效的途径是安装排气消声器。传统的无源消声器主要有三 种类型：抗性消声器、阻性消声器和阻抗复合式消声器。 抗式消声器：借助管道截面的突然扩张和收缩，使沿管道传播的噪声在 突变处向声源反射回去，达到消声的目的。抗式消声器通常具有良好的中低 频消声效果，而对高频噪声的消声能力有限。 阻式消声器：借助吸声材料或吸声结构使沿通道传播的噪声不断被吸收 而逐渐衰减以达到消声的目的。当声波进入消声器，引起阻性消声器内多孔 材料中的空气和纤维的振动，由于摩擦阻力和粘滞阻力，使一部分声能转化 为热能而散失掉。阻性消声器应用范围很广，它对中高频范围的噪声具有较 好的消声效果。 阻抗复合式消声器：为了提高消声器的消声性能，将以上两种消声器的 优点组合，既有吸声材料又有共振腔和膨胀腔，可以在较宽的频率范围内取 得良好的消声效果。 良好的消声器设计应该满足以下要求归- ： 1 消声性能好。消声器应根据噪声源的频谱特性，满足所需要的消声 量。 2 气动力性能好。气流通过消声器时，阻力损失不能太大，否则会降 低发动机的功率输出或增加燃油消耗率。 3 几何形状、机械强度、结构刚度都要满足内燃机工作环境对消声器 的要求等。 13 柴油机排气净化消声器 控制柴油机尾气污染和排气噪声，通常足在柴油 j l - h 7l 系统中加装催化 净化器和消卢嚣。在很多轻型、中型、重型柴油机车和客午中以及发电机组 和稃机械巾，通常没有足够的空间i 一时容纳一只催化转化j ! 和只消卢器， r 是征柴油机的排气系统叶 安装净化消声器足一种可取的措施排l 净化 消声器不仪能够实现柴油机尾气净化和排气噪声控制双重功能，而u 还r 叮以 节省宅州。阿14 所不为一发【u 机绍川的排气净化消声器，它是找体和腔 体组成。其载体是山很多的直通细管组成，为通流式，其截i _ | 1 每平方英寸上 有几百个通道，d , 4 l 通道肇曲涂有催化剂层，用f 在气流通过时j 气流l 】的 污染物发生化学反应，达到净化的功能。由于载体具有一定的高频消声敛粜， 而其它腔体能有效地消除中低频嵘声，w 而这种复合结构能获得从低频剑高 频良好的消声效果。 - i ，i 7 ，矿 匿 倒1 4 柴油机排7e 净化消声器 14 本文的主要工作内容 本文使用商业软件a n s y s ，s y s n o i s e 和f l u e n t 对催化转化器进行 模拟汁算，分析影响其声学性能、阻力拟穴和净化效果等幽素。在此基础j ：， 设计一款柴油机排气净化消，h 器，对其进行模拟分析，并提出改进殴计方案。 本文的具体研究l ：作如f ： 1利用粘性流中声传播州论，研究微, j , 4 l 道内流体的温度、流速和粘 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 性对声传播的影响。推导考虑气流流速、温度和热粘性等因素时载体小孔道 的声传播公式，进而得出载体的传递矩阵，研究影响载体声学性能的因素。 2 使用阻抗管测量装置测量载体的传递损失，测量结果和理论计算结 果相比较，验证载体声学模型的正确性。 3 建立催化转化器的声场模拟方法。对于催化载体和空腔部分在建模 时区别对待：对催化载体用传递矩阵法，而对空腔部分使用有限元法进行模 拟，然后利用声压相等和体积速度连续性条件将二者加以耦合。对简单催化 转化器进行计算分析，研究载体对催化转化器声学性能的影响。 4 利用达奚定理，将载体作为多孔介质，用等效连续法，不考虑化学 反应对催化转化器进行流场分析，研究载体及进口锥角对流场的影响。 5 净化元件按氧化催化转化器原理，分析一定流速下h c 和c o 起燃特 性及转化率。 6 设计一款柴油机排气净化消声器，并对其声学性能、阻力损失和净 化效果进行模拟分析，进而可用于指导柴油机排气净化消声器的结构优化设 计。 1 0 哈尔滨工程人学硕十学传论文 第2 章催化转化器声学性能计算及分析 汽车排气系统中安装有催化转化器和消声器来降低内燃机尾气有害物的 排放和排气噪声。以往对催化转化器的研究只侧重于净化，认为催化器只用 来净化有害排放物，消声任务则由消声器来承担。如图1 1 所示的氧化催化 器由载体和连接空腔组成，载体具有一定的高频消声效果，而其连接腔体能 有效地消除中低频噪声，因而这种结构能获得从低频到高频的消声效果。本 章将研究载体的声学理论模型，找出影响其声学性能的主要因素，进而计算 并分析催化转化器的消声性能。 2 1 声学性能计算方法 2 1 1 传递矩阵法 声场的特性可由声压、质点振速以及密度增量等物理参数来描述。一个 复杂的消声器可以看成由一系列基本声学单元组合而成，每一个单元都可以 用它两侧的声压p 和体积速度u 来描述。 图2 1 内燃机排气消声系统模型 消声器中介质和声传播的基本假设为：介质为理想流体，并且是均匀、 各向同性的；声波在传播时无能量损耗，传播过程是绝热过程，消声器管道 哈尔滨：i ：程大学硕十学位论文 内的声波是以平面波沿轴向传播，同时消声器管道壁面无振动，声能不能沿 管道向外透射u u “。 a b 申 cd 图2 2 消声器等效声学线路 根据四端于1 ) c ) 9 络计算原理，口j 得剑上游声雎p l 和体积速度o r , 以及f 掰声 压仍和体积速度的关系： 盼 纠阴 协) 式中a 、b 、c 、d 为消声结构传递矩阵的元素，它们只与消声结构有关。具 体可f h 下式得到： 。 么：f 旦1 为断开传递系数 l 易且：o 肚m ：。为短路传递阻抗 c ：f ，堕、1 为断开传递导纳 仍九：0 。= ( 篑) m ：。为短路传递系数 通过求得上述四极参数，就可以得到各个消声单元的传递矩阵，从而可 求总的传递矩阵r 。当有以个单元串联时，总的传递矩阵为t = 互互乙： 易i _ l = 五夏乃 爱 = 丁 爰 c 2 2 ) 传递损失t l 定义为消声器进口端的入射声功率级和出1 ：3 端的透射声功 率绁穸蒡。 1 2 哈尔滨i 程大学硕十学位论文 设阻抗y = c l s ，c 为声速，s 为管道的截面积。则消声器进口和出口处 ( 无反射端) 的声压p 和质量振速v 可表示为： a = a + + 易一，k v l = p l + + a 一，p 2 = p 2 + ，艺y 2 = p 2 + 且质量振速和体积速度的关系为1 ，= ，传递损失为： 死划b g 蚓= 2 0 l o g l 訾i = 2 0 l 。g ( 2 3 ) 由传递矩阵公式，当进出口截面相等时，即s = 岛= s ，传递损失可简 化成： 兕划崦m 南+ 竽+ 。1 ) 协4 ) 2 1 2 有限元法 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简写f e m ) 是求解数理方程的一种 数值计算方法。把求解区域看作由许多小的节点处互相连接的子域所构成， 其模型给出基本方程的近似解。由于单元可以被分割成各种形状和大小不同 的尺寸，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，再加上它有成熟的大型软件系统支持，使其成为一种非常受欢迎的、 应用极广的数值计算方法。 用有限元法求解问题的基本步骤为u 9 j ：1 划分网格，2 选择形函数，3 形成有限元代数方程组，4 求解此代数方程组。 对于复杂消声器结构，为准确反映消声器内部声场分布特性，需对其建 立三维模型。有限元模型可以在a n s y s 软件中建立，三维模型的选取根据 需要为四面体单元或者六面体单元，节点为四节点或八节点。单元类型选定 后，其型函数随之确定。 由声学基本理论可知，声波在消声器中传播的三维波动方程为： 喻尔溟i 样人宁帧十掌何论文 v 2 p = 粤o t 沼5 ) c n 一 一 其中，拉普拉斯算子在直角坐标系中，v 2 = 导+ 导- i - 竺o z 2 ，声压随时间的 变化是简谐的，令p ( x ，y ，z ，t ) = p ( x ，y ，z ) e 问，通过分离变量，得到h e l m h o l t z 方程： v 2 p + k 0 2 p = o ( 2 6 ) 利用加权残数法推导声学有限元方程如下， 控制微分方程： 三( p ) = 厂 ( 2 - 7 ) 其中，p 为场变量，为某种微分算子，厂为已知力函数。 对于试探解见的残差r 定义如下： r = 三( 见) 一厂 ( 2 8 ) 在有限元公式中，见是场变量模式。在有限单元法中，场变量模式为： p a = 1 p ) 。 ( 2 9 ) 是形函数矢量，扫 。是节点声压矢量。 由加权残数法的定义可知： ，2 萎l r d v , = 0 ) ( 2 - 1 0 ) 权函数选取的形式不同，得到的加权残数方程就不同，基于迦辽金加权残数 法方程为： ，= l m ( v 2 p + k 2 p 户矿= o ( 2 1 1 ) 单元离散后得到： n 。n ， ，= 芝t = 艺l m ( v 2 p + j i 2 p p 矿 ( 2 1 2 ) f ie f f i l 1 4 哈尔浜一i 样大宁硕士学位论文 j 应用格林公式： l 2 a p a s l 叫即d 矿+ l 后2 m 卅矿 ( 2 1 3 ) 将公式( 2 9 ) 代入上式可得： ，。= ，s , m 望o n 搬一lv m 跗) r p ) 。d y + l 七2 m ) 7 p ) 。d 矿 ( 2 1 4 ) 对于单元e 上的所有节点： ， 。= l ) 考搬一l ( 跗) 洲) t k 2 ) r ) p ) 。d y ( 2 - 1 5 ) 经整理可得： ，) 。= 咖彩 f ) 。一 m 】。 p ) 。+ 七2 【s 】。 p ) 。 ( 2 1 6 ) 其中： s 】。= l 【】 】rd v ( 2 1 7 ) m 】。= l v 】 刚】r 护 ( 2 1 8 ) 。= 蹦) ) 7d s ( 2 1 9 ) f ) ，f m l ，s 1 ，分别为力向量，质量矩阵，刚度矩阵对于系统中的所有单 、，elj lj p 元： ( 【m 】一2 s 】) p ) = 一编彩 f ) ( 2 2 0 ) 式中， m 】、 s 、 ，】分别由相应的各单元系数矩阵扩充而成。 给定边界条件，方程( 2 2 0 ) 即可求解，从而获得消声器内部声场。本 文使用声学软件s y s n o i s e ，采用有限元方法，对声学模型进行频域分析。 当进出口面积相等时，可用下面公式计算整个消声器的传递损失： 死划t 。刮 式中，只和p o 分别为进、出口声压，m 为进口质点振速。 ( 2 2 1 ) 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 2 载体的传递矩阵 2 2 1 粘性流中声传播 声波在理想媒质中传播时，不存在任何的能量耗散，声波不存在衰减现 象。由于实际的柴油机排气是存在一定流速的非理想流体，需要建立考虑流 速、热粘性效应的声传播控制方程卅w 。 连续方程： 歹缈+ 甜罢+ 尸怯+ 鲁+ 号) = 。( 2 - 2 2 ) n a v i e r - s t o k e s 方程： 一，攻j p o v + p o u o 善= 一o p o xo x + 4 鲁弓篓o r 2 3 ) id 一， ， j 能量方程： 歹a - c v t + p o c p u o 面a t = j c o p + u o 瓦o p + 吖窘弓罟、) 2 4 ， 状态方程： 尸= p ( r z o ) 一形( 瓦扁) ( 2 2 5 ) 式中：、t 、p 分别为密度波动、温度和声压，r 为气体常数，u 。为流体 速度，1 ，。、u 分别是孔道内质点振速的轴向分量和径向分量，下标为0 的表 示平均值。 a 为孔道半径，边界条件为： 当，= 0 时，1 l r = 0 并且屹和r 必须是有限值； 当，= a 时，v ，= v = t = 0 。 假设声场的各变量与x 的函数关系是：e x p ( 一j k k x ) ，k = _ o c 是无粘理想 条件下的波数，c 是声速，k 是未知的复传播常数。据式( 2 2 3 ) 可知，声 压p 只与x 有关系，声场各变量可设为： 1 6 哈尔滨r t 程大学硕十学位论文 p ( x ) = a e x p ( - j k k x ) ( 2 2 6 ) 屹( 五，) = a e x p ( - j g k ：x ) h ( r ) t ( x ，r ) = a e x p ( - j k k x ) f ( r ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 式中：彳是常数，日和，是关于，的函数。 将式( 2 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 和( 2 2 8 ) 代入式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) 中，可得： i d 2 n + ! 掣+ 日：一j r d c i 芦十7 j f 十a 2 一 等+ 三譬+ f 1 2 d f ：j ( k m - 1 ) 叫r d r 2rd r 。1l ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) 式中：= ( 刎一1 ) j 2 口2 ，s = 口瓦叫是s t o k e s 数，m = 甜。肛是均匀流 的马赫数，o - 2 = 肛，i c , 黾普兰特数，a 为孔道半径，l 为粘性系数，c 。为介 质定压比热，t 为热传导系数。 式( 2 2 9 ) 和( 2 3 0 ) 用贝赛尔函数形式表示，再利用边界条件可得到： 嘶) = p o c o l - k m ) 1 。砑j o ( r ) ( 2 - 3 1 ) 即) = 去 1 - 而j o ( 。两- f i r ) ( 2 。2 ) 再将式( 2 2 6 ) 、( 2 2 8 ) 代入式( 2 2 5 ) 中得： c 2 p = 1 + ( y - 1 ) j o ( c r ? a ) j o ( c r f l a ) a e x p ( - j k k x ) ( 2 3 3 ) 代入连续方程( 2 2 2 ) 得： 吾掣_ 篆卜，卜) m 3 ( 训o - , a r ) 1 尘i - k m - 一糕 ) x a e x p ( - j k k x ) ( 2 3 4 ) 将上式对，积分，再应用边界条件可得关于k 的特征方程： 1 7 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 1 + 型蜊+ 竺1 垡型：o ( 2 - 3 5 ) j o ( 珈) r ( i k m ) 2g o ( 伽) 对其进行近似处理： k + = x o ( i + k o m ) ，k 一= 喝( 1 - k o m ) ( 2 3 6 ) 式中k 为传播常数： k 。1 + 西1 - j 警 所以式( 2 - 2 6 ) 、( 2 2 7 ) 可以写成： p ( x ) = p + ( x ) + p 一( x ) = p + ( 0 ) e x p ( 一j k + 妫+ p 一( o ) e x p ( j k 一缸) p o e v x ( x ，) = 五+ ( ，) p + ( x ) + 乃一( ，) p 一( x ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) 以巾蔫 一矧h 巾志 - 一硐j o ( f f - r ) 卜。) 假设这些函数的径向贡献在孔道截面上变换不大，所以可以对上式在孔 道截面上积分，并求出其孔道截面上的平均值： , o o c w m ( 工) = 砝p + ( z ) + 圪p 一( 工) ( 2 4 1 ) 其中： 峰k + i 一去端卜志愕矧卜2 ， 式中： 矿口= ( 1 一j ) s 4 2 ( 1 + k o m ) 式( 2 - 3 8 ) 、( 2 3 9 ) 、( 2 - 4 0 ) 、( 2 4 1 ) 、( 2 4 2 ) 构成了考虑流速和热粘性效应 时管道内声传播的准平面波理论。 1 8 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 2 2 2 细管的声传递矩阵 载体单个孔道气流没有截面变化的影响，声压和质点振速可表示为： p ( x ) = ae x p ( - j k + k x ) + be x p ( j k 一纠 p o c v ( x ) ( 一皿+ 奴) 一曰e x p ( j x ：一h ) ( 2 4 3 ) ( 2 。4 4 ) 式中k = + k o ( i + k o m ) ，m = u 0 c 是气流马赫数，将式( 2 - 4 2 ) 作近似处 理，使砖= k o ( 1 + ( ( 1 一班s ) 嗣) o 令局= 品、蜒= k 1 一k ；m _ = 一 将瓦( 2 - 4 3 ) 和瓦( 2 - 4 4 ) 焚为： p ( x ) = e j x a ha e 一成h + 丑e h ) ( 2 4 5 ) p o c v ( x ) - e j k a k x ( 砧么p 一成h + h i , b p 成h ) ( 2 - 4 6 ) 则对于长为，的孔道： 黝= 纠匕 4 7 ) 其中：阶岭p o 、v o 分别为孔道进口和出口处声压和质点振速，a 、b 、c 、d 为孔道的四极参数。 么= ke x p ( 一皿+ 肼) + 线e x p ( 弘一肼) 绣+ 练 ( 2 4 8 ) b = e x p ( 一j k + k 1 ) - e x p ( j k 一肼) 砝+ ( 2 4 9 ) c = 砝h ：e e x p ( - j k + 肼) 一e x p ( j k 一肼) 砖+ k ( 2 5 0 )