（动力机械及工程专业论文）排气消声器声学性能时域仿真与实验测量研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 消声器被广泛应用于控制内燃机的排气噪声，声学性能是其主要评价指 标之一。频域法是消声器声学性能计算和分析普遍使用的方法，但是频域法 很难考虑介质的粘性效应和复杂流动对消声器声学性能的影响。为此，本文 开展了基于c f d 的三维时域法和消声器声学性能实验测量研究。 本文阐述了三维时域法的基本原理及数据处理过程，将此方法应用于预 测排气消声器的传递损失，通过计算结果与实验结果的比较，验证了此方法 的正确性，另外，分析和总结了三维时域法的优缺点。设计并搭建了消声器 声学性能测量试验台，合理布置声源及传声器，使该台架可用于高流速情况 下消声器传递损失以及消声器内流噪声的测量。研究了消声器传递损失测量 方法，在消声器声学性能试验台上，将两负载法应用于测量无流及有流情况 下消声器的传递损失，测量结果与预测结果吻合良好，表明所采用的实验测 量方法是正确的。 采用三维时域法计算直通穿孔管消声器的传递损失，研究穿孔率、孔径、 壁厚、孔分布样式以及复杂流动对直通穿孔管消声器声学性能的影响规律。 最后计算并分析了中心管部分穿孔和带有分隔管的直通穿孔管消声器的传递 损失，得出一些结论，为消声器设计提供指导。 关键词：排气消声器；传递损失；三维时域法；实验台设计；实验测量 哈尔滨下程大学硕十学位论文 a b s t r a c t s i l e n c e r sa r ew i d e l yu s e dt oc o n t r o lt h ee x h a u s tn o i s eo fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e s 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 ei so n eo ft h em a i np e r f o r m a n c e c r i t e r i ao fe x h a u s ts i l e n c e r s t h ef r e q u e n c y d o m a i nm e t h o d sa l eg e n e r a l l yu s e dt o c a l c u l a t ea n da n a l y z 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 fs i l e n c e r s h o w e v e r , t h e s em e t h o d sc a nn o tc o n s i d e rt h ee f f e c t so fv i s c o s i t ya n dc o m p l e xf l o wo n a 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 fs i l e n c e r s t h e r e f o r e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a l t i m e - d o m a i nm e t h o da n dt h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n to ft h ea c o u s t i c a t t e n u a t i o np e r f o r m a n c eo fs i l e n c e r sa l ei n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e r t h eb a s i c p r i n c i p l e a n dt h ed a t a p r o c e s s i n go ft h et h r e e d i m e n s i o n a l t i m e - d o m a i nm e t h o da l ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nt h em e t h o di sa p p l i e d t op r e d i c tt r a n s m i s s i o nl o s so fs i l e n c e r s b yc o m p a r i n gt h ep r e d i c t e dr e s u l t sw i t h t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ev a l i d i t yo ft h i sm e t h o di sv e r i f i e d i na d d i t i o n , t h e a d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so ft h et i m e - d o m a i nm e t h o da r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d at e s t - b e df o rs i l e n c e ra c o u s t i cp e r f o r m a n c ei s d e s i g n e da n d c o n s t r u c t e d t h es o u n ds o u r c ea n dm i c r o p h o n e sa l ea r r a n g e dr e a s o n a b l y , s ot h a t t h et r a n s m i s s i o nl o s so fs i l e n c e r s 晰ml l i 曲g a sf l o wv e l o c i t ya n dt h ef l o w g e n e r a t e dn o i s ei n s i d et h es i l e n c e rc a nb em e a s u r e do nt h et e s t b e d t h em e t h o d f o rm e a s u r i n gt r a n s m i s s i o nl o s so fs i l e n c e r si ss t u d i e d ，a n dt h et w o l o a dm e t h o di s u s e dt om e a s u r et h et r a n s m i s s i o nl o s so fs i l e n c e r sw i t h o u ta n dw i t hf l o wo nt h e s i l e n c e ra c o u s t i cp e r f o r m a n c et e s t - b e d t r a n s m i s s i o nl o s sm e a s u r e m e n t sa g r e e w e l lw i t ht h ep r e d i c t e dr e s u l t s ，w h i c hs h o w st h a tt h eu s e dm e a s u r e m e n tm e t h o di s c o r r e c t t r a n s m i s s i o nl o s so fs t r a i g h t - t h r o u g hp e r f o r a t e dt u b es i l e n c e r si sc a l c u l a t e d w i t ht h et h r e e - d i m e n s i o n a lt i m e d o m a i nm e t h o d e f f e c t so f p o r o s i t y , s i z eo fh o l e s ， w a l lt h i c k n e s so fp e r f o r a t e dt u b e ，d i s t r i b u t i o no fh o l e sa n dc o m p l e xf l o wo nt h e a 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 fs t r a i g h t t h r o u g hp e r f o r a t e dt u b es i l e n c e r sa r e 哈尔滨t 程人学硕十学1 = 奇：论文 i n v e s t i g a t e d f i n a l l y , t h et r a n s m i s s i o nl o s sr e s u l t so fs t r a i g h t - t h r o u g hp e r f o r a t e d t u b es i l e n c e r sw i t hp a r t i a l l y - p e r f o r a t e dt u b ea n dd i v i d e dt u b ea r ec a l c u l a t e da n d a n a l y z e d s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na c c o r d i n gt ot h e s er e s u l t s ，w h i c hs u p p l y g u i d a n c ef o rs i l e n c e rd e s i g n s k e yw o r d s ：e x h a u s ts i l e n c e r ；t r a n s m i s s i o nl o s s ；t h r e e - d i m e n s i o n a lt i m e - d o m a i n m e t h o d ；t e s t b e dd e s i g n ；e x p e r i m e n t a lm e 舢e m e m 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己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。 作者( 签字) ：徐如时 日期： 2 d j 9 年岁月丛日 | ? 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：徐狮 日期：2 叩年多月加 荔嚣争槲 劲 1 年弓其龃 哈尔滨丁程人学硕十学f 7 ：论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着国民经济的快速发展，各种机械设备、交通工具在急剧增加，噪声 污染问题日益严重，它影响人们的工作和生活，危害人们的健康，已经成为 当今世界三大污染源之一。国内外都制定了许多有关噪声控制的标准和法规， 并且日益严格，因此，对噪声控制的研究成为一项重要课题u ，。 排气噪声是内燃机最大的噪声源心，。若能降低内燃机的排气噪声，就能 大幅度降低内燃机的总噪声级。随着内燃机转速的提高和增压技术的应用， 排气流速增大，使得降低内燃机排气噪声的研究变得更加重要。j 排气噪声的频谱包含以下频率成分：以每秒内排气次数为基频的排气噪 声、管道内气柱共振噪声、气阀杆背部的卡门涡流噪声等幢1 。内燃机排气噪 声的频谱主要呈低频特性，但中、高频噪声也有一定的强度。 内燃机排气噪声控制可以采取两个方面的措施，一方面是对噪声源本身 采取措施，从噪声源机理分析入手，采取相应的对策，但这些措施往往影响 到内燃机其他方面的性能，因此需要综合考虑并进行大量的实验研究。另一 方面的降噪措施是安装排气消声器，这是最有效、最简单、也是目前国内外 采用最多的方法。因此，研究和开发高性能的排气消声器，成为降低内燃机 排气噪声的主要措施。 消声器是一种阻止声波传播而允许气流通过的降噪装置，是控制气流噪 声的主要措施，已被广泛应用于控制内燃机排气噪声以及压气机等装置的进 排气噪声。国外对消声器的设计研究起步早，投入大，研究基础雄厚。在实 际工作情况下，建立排气系统的流动和声学数学模型，通过数值仿真技术结 合必要的测试用以分析消声系统的性能，已成为发达国家开发研究消声器的 基本手段。在我国，消声器的研究和设计，由于起步晚及重视不够，相对于 国外的先进水平还有一定的差距，因而进行消声器设计的应用基础研究，合 理准确预测消声器的基本性能对于提高我国消声器设计水平具有重要意义。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 i i ii i i i i i i 1 2 消声器声学性能评价指标 消声器的性能评价主要采取三项指标，即：声学性能、空气动力学性能 和结构性能。消声器声学性能评价指标包括：传递损失( t l ) ，插入损失( i l ) 和噪声衰减量( n r ) 。 传递损失的定义为末端为无反射端条件下，消声器入射声功率级与透射 声功率级之差，其表达式为： t l = 1 0 l o g l o 鲁= 一( 1 - 1 ) 式中形和彬分别为消声器进、出口处的声功率，单位为w ；毛和分别 为消声器进、出口处的声功率级，单位为d b 。 插入损失定义为系统之外某一固定测点处，系统安装消声器前后的声压 级之差，表达式为： 儿= 三p l 一三p 2 ( 1 2 ) 式中三，。和三，：分别为测点处安装消声器前、后的声压级，单位为d b 。 噪声衰减量是消声器输入端与输出端之间声压级之差，其表达式为： n r = & ) 厶一野心 ( 卜3 ) 式中掰) 厶和册如分别为消声器进、出口的声压级，单位为d b 。 比较以上三个评价指标，只有传递损失只与消声器结构有关，是消声器 本身的属性，适用于消声器的理论研究。而插入损失和噪声衰减量不仅与消 声器自身结构有关，还受到声源特性及末端阻抗的影响，这两个指标比较容 易测量，但是在消声器设计阶段难以预测。 1 3 消声器声学性能研究历史及现状综述 1 3 1 消声器声学性能预测方法 目前，用于消声器声学性能预测的方法有：频域法和时域法，频域法可 2 哈尔滨。r 程大学硕十学侮论文 分为：基于平面波理论的传递矩阵法、三维解析法、有限元法和边界元法。 频域法是基于线性声学假设，即对消声器中的介质及声传播作以下基本假设： 1 、介质为理想流体，即介质不存在粘性，声波在其中传播时，没有能量 的损耗，流体没有扰动和紊流，且介质是均匀的，各向同性。 2 、介质中传播的是小幅声波。即：压强的变化量与静态量相比是一个很 小的量，这样声波在消声器内的传播规律可以用线性化的波动方程来描述。 3 、声传播是一个绝热过程，与外界不存在热交换。 4 、介质中的静态压强及静态密度都为常数。 5 、消声器由刚性壁管组成，声波不会透过管壁向外辐射。 时域法是基于非线性流体力学模型，它是采用计算流体力学方法求解流 场控制方程，得出压力随时间变化情况，最后通过快速傅里叶变换得到声压 频谱特性。这种方法能够考虑非线性效应，流动效应及粘性效应，它包括一 维时域法和三维时域法。下面详细介绍各种预测方法。 1 、传递矩阵法 基于平面波理论的传递矩阵法又称四端网络法，根据电路中的四端网络 原理，使用四极参数矩阵表述每个消声单元的声传递特性，消声器的声学性 能用每个消声单元的四极参数矩阵的乘积来确定。早在1 9 2 2 年s t e w a r t 就用 声滤波器理论来研究抗性消声器，由于采用集中参数近似，分析的频率范围 有很大的局限性协，。五十年代初，d a v i s 运用平面波理论，研究无流情况下简 单抗式消声器的声学性能，所做工作为传递矩阵法提供了理论基础，促进 了该方法的使用。后来，国内外学者研究了均匀气流和线性温度梯度对声传 播规律的影响睁”- ，使得管道和消声器内声传播更接近实际状态。传递矩阵法 是一维近似方法，计算时间短，使用方便，至今仍被广泛应用。 基于平面波理论的声传递矩阵法是对消声器内部声场的近似理论分析， 当消声器几何结构尺寸较小，且噪声频率不太高的情况下，这种方法比较适 用，但是当噪声频率比较高时，消声器内部出现高次模式波，平面波理论就 不再适用。 2 、三维解析法 解析法最早应用于二维简单结构，m i l e s 首次描述了对称截面突变处激发 的高阶模式波，通过施加已知的边界条件以及声压、质点振速的级数展开表 哈尔滨 ：稃人学硕十学位论文 i i 征一个二维的矩形膨胀腔“。后来，一些学者拓展了这一理论，采用三维解 析法分析轴对称的简单膨胀腔，以及进、出口偏移简单矩形膨胀腔等结构的 传递损失n ”1 ，通过解析解与其它结果比较，验证解析法具有较高的计算精度。 采用解析法研究消声器声学性能，要截去级数展开中的无穷项，但解析 法仍然是计算简单结构消声器声学性能比较精确的方法。对于复杂结构的消 声器，解析法公式处理比较复杂，很难适用。 3 、声学有限元法 有限元法是从变分原理或者加权参数法出发，通过区域剖分和分片插值， 把数理方程的边值问题化为等价的一组多元线性方程的求解。有限元法最初 用于结构分析，y o u n g 和c r o c k e r ”，首次利用有限元法研究了消声器中的声传 播问题，他们针对静态介质运用矩形单元计算消声器的传递损失。1 9 7 6 年 c r a g g s u 。1 进一步发展了有限元方法，研究了膨胀腔消声器的插入损失和传递 损失。在用有限元法研究流动介质中的声传播方面，一些学者做了大量研究 “一。国内在有限元研究方面也取得很大的进展，许多用有限元法计算和分析 消声器声学性能的论文被发表t 一，使得消声器的研究越来越深入。 有限元法在求解消声器声学性能研究中，主要用来解决消声器内部声场 的分布及传递损失的计算问题，是消声器声学性能计算及分析最常用的数值 方法。有限元法有一定的缺点：有限元法需要全域离散，导致问题的自由度 和原始信息量大；有限元技术本身也存在缺陷，它把本身是连续的介质仅用 在节点处连接的有限单元的集合来模拟，带来了离散误差。 4 、声学边界元法 边界元法是2 0 世纪7 0 年代后期发展起来的一门新兴数值方法，它与有 限元法同属于求解多维问题行之有效的数值方法。边界元法是把控制微分方 程式变换到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， 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变换成求解 关于边界节点未知量的代数方程问题。由于预测消声器的声学性能并不需要 探求内部点的声学量，只需计算进出口声学量，因此边界元法可用较少的未 知量分析同一问题。 近几十年来，边界元法在消声器内部声场问题的研究与应用中取得了较 大的发展，1 9 8 7 年s e y b e r t 和c h e n g 首次将边界元法应用于消声器静态声学性 4 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 能的分析瞄- 。1 9 9 2 年，j i 瘌s e y b e r t 将边界元法应用于预测穿孔管消声器的声 学特性汹，他们将穿孔管结构用模拟阻抗边界条件来代替，取得了成功。季 振林在用边界元法预测有流时消声器的声学性能方面做了大量研究幢”，。 以上各种方法都为基于线性声学理论的频域方法，这种方法存在如下一 些缺陷：实际情况下，排气流动与声波传播是耦合在一起的，在线性理论中， 通过假定声场叠加在解耦的均匀流上来解决流声耦合问题，尽管目前有限元 法和边界元法都可以考虑这种流效应，但是需要单独地求解做势流假设的稳 态流场幢们，t 。频域法属于线性声学范围，只能适用于低声压级情况，无法考 虑介质的粘性耗散效应。而用时域法研究消声器的声学性能时可以自然考 虑运流效应，粘性效应也可以通过施加湍流模型体现出来。下面详细介绍时 域法。 1 、一维时域法 一维时域法预测消声器声学性能的原理是通过数值方法在时间域内求解 一维非定常流动方程组，得到消声器进、出口处压力随时间的变化情况，然 后将所求的结果转换到频率域计算消声器的传递损失。1 9 9 5 年s e l a m e t 和 d i c k e y 采用一维有限差分法模拟抗性消声器的阻抗管试验口”，计算得到几种 简单结构抗性消声器传递损失，计算结果与理论分析结果吻合很好，后来他 们分析了有限差分法的数值耗散及频散效应对消声器声学性能预测产生的影 响m ，为合理选择网格长度及时问步长提供指导。2 0 0 3 年，a b de 1 一r a h m a n 采用一维特征线法研究了非线性情况下直通穿孔消声器的声学性能b ”。最近， b r o a t c h e t 较了时域方法计算消声器声学性能的各种数值方法的优缺点，研究 成果为合理安排求解方案提供依据。 一维时域法不仅可以单独地预测消声器的传递损失，还可以将发动机模 型与进、排气系统模型耦合在一起，用于预测尾管辐射噪声以及研究进、排 气系统结构对发动机输出功率的影响。目前，一些基于一维非定常流体动力 学模型的商业软件能够提供发动机及消声器的联合计算，如g t p o w e r 、 b o o s t 等，这就使得消声器设计工作变得更加方便、快捷。 与传递矩阵法相似，受一维假设的影响，一维时域法分析消声器有效的 频率范围也被限制在平面波范围内。当排气消声器具有复杂结构和较大尺寸 时，内部声波本质上是三维的，一维模型存在较大误差，应采用三维模型进 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 行研究。 2 、三维时域法 三维时域法与一维时域法原理一样，只是流场控制方程组的空间坐标维 数由一维变为三维，使得对消声器内压力分布的描述更加接近实际情况。由 于采用计算流体力学方法求解流场控制方程组，所以通常将此方法称为消声 器声学性能研究的c f d 方法。目前介绍三维时域方法的文献很少，m i d d e l b e r g 等人用三维时域方法计算了无流条件下各种膨胀腔消声器的传递损失m ，将 计算结果与试验数据比较，说明这种方法可以很好地预测消声器声学性能。 b r o a t c h 等人用同样的方法计算了简单膨胀腔及回流消声器的传递损失1 ，但 是都没有深入地研究有流条件下消声器的声学性能。 由于三维时间域法需要采用c f d 方法求出许多时间步的压力大小，所以 该方法计算量大，较频域法费时。但是这种方法可以很好地考查高速气流对 复杂结构消声器声学性能的影响，这是频域法很难完成的。 1 。3 2 消声器声学性能测量试验装置 虽然在消声器的声学理论研究方面比较成熟，但是由于影响消声器声学 性能的因素复杂，对于消声器的声学性能研究仅采用理论计算往往是不够的。 在消声器设计过程中需要将理论研究与实验研究相结合，通过实验研究来验 证理论计算的结果。 图1 1 消声器性能试验台 6 哈尔滨j t ：程大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i 一 为了使消声器的测试环境尽可能模拟真实的工作环境，同时避免在发动 机台架上试验带来的高成本，消声器性能测量试验装置越来越多的被采用。 图1 1 为蔡超、宫振设计的冷态消声器性能试验台，通过该试验台可以采用 两传声器法测量有流、无流条件下消声器的传递损失。重庆大学的阮登芳、 邓兆祥等对排气消声器热态试验台进行设计m ，其结构如图1 2 所示，该台架 可对其中的气流进行电加热，以模拟发动机排出的高温气体。以上两种试验 装置缺少发动机燃烧噪声产生装置，不能模拟消声器的实际应用环境，所以 只能进行消声器传递损失的测量，不能用于插入损失测量。 棚靖参：葡竺擎甜 上蕾静声善r = 夕一k - 限声番 疆譬尊同：扩气竺鼙甜u f f 瓣 搁崩陌j j _ _ 黻_ - 毒l i 罐鬻 淄停毽皮格蕾瓤停o = 0 2 图1 2 消声器性能试验台 图1 3 消声器性能试验台 哈尔滨工程大学的王雪仁等研制了一套用于船用柴油机排气消声器性能 研究的台架，其结构如图1 3 所示，采用航空燃气轮机燃烧室作为燃烧器， 通过该装置可以有效模拟船用柴油机的燃烧噪声，使得消声器更加接近真实 7 籍 喻尔滨r 程大学硕 = 学位论文 的工作环境。该试验装置可在很宽的范围内有效模拟船用内燃机的排气状态， 进行各阶段消声器冷热态试验，保证了装机的消声器性能很好地满足设讣要 求，也可免去现场的配机试验，从而节省了大量的人力物力及试验费用。 图14 消声器性能试验台 在国外，l e e 设计的试验装置结构示意图如图1 4 m ，该试验台架主要用来 考察车用小型进、排气消声器的声学性能，为了更好的控制声源特性，在气 流进口处添加了一个阻性消声器，降低流体噪声对卢源特性的影响。图1 5 为 m i k a e lk a r l s s o n 等人用于研究回流式消声器声学性能的试验装置”“，在该试验 装置上装有两套声源，用两声源法测量回流式消声器传递损失。k i r b y 用脉冲 法测量阻性消声器传递损失的试验台如图16 ”“，该台架布置简单可用于有 流条件下消声器声学性能研究。 图1 ，5 消声器性能试验台 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 图1 6 消声器性能试验台 1 3 3 消声器声学性能测量方法 随着管道声学测试技术的进步，无流条件下消声器声学性能的测量方法 已经发展比较成熟，测量难度小，结果比较准确。常用方法有：声波分解法、 两负载法、两声源法及脉冲法t 柏，。声波分解法m ，是根据声波分解原理，通过安 装在消声器上游管道的两个传声器将入射声波成分分解出来，求出入射能量， 而下游管道末端为无反射端，由一个下游处的传声器测出透射波能量，然后 计算出传递损失。声波分解法测量原理简单，过程实施方便，是最为常用的 一种方法，其缺点是要求下游管道末端无反射，实际实验过程中很难做到。 两负载法和两声源法 4 6 , 4 6 1 都是基于传递矩阵方法建立起来的，分别通过改变出 口阻抗边界条件和调整声源的安装位置来建立表述待测消声器前后入射和反 射波幅值关系的两个方程组，将两次测得的数据代入简单的计算公式即可求 出传递损失。采用这两种方法除了可以测量消声器的传递损失外，同时可以 得到描述消声器声学特性的四极参数，这两种方法不需要测量管道下游为无 反射端，测量较为准确。缺点是实验操作过程较声波分解法繁琐。脉冲法属 于瞬态测试方法h ”，需要在消声器上游管道进口施加持续时间很短的脉冲信 号，由两个传声器捕捉入射脉冲信号和透射脉冲信号，或者是由一个传声器 测量安装消声器前后的脉冲信号，两个信号进行傅里叶变换后进行简单计算 即可求出消声器的传递损失。脉冲法原理简单，需要的传声器数量少，缺点 在于需要长的上下游管道，以满足所需脉冲不被反射波污染的要求。 当消声器内存在气流时，气流会改变声波在消声器内的传播，从而影响 其声学性能，同时气流将在消声器内产生再生噪声，当气流流速相当大时， 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 气流再生噪声构成相当强背景噪声，这种背景噪声将降低了信噪比，影响测 量精度。1 9 8 0 年，c h u a n g 和b l a s e f 删将传递函数法应用于有流条件下管道内声 强的测量问题，并在低马赫数( 不大于0 1 ) 气流条件下测得了合理的结果。 高流速情况下消声器传递损失测量时，一般进口施加确定的信号，如脉冲信 号或者正弦扫频信号m ，同时在信号处理过程中借用时域平均技术或者m 序 列相关技术啪，降低流噪声对测量结果的影响。最近，j a n g 瞄“应用多传声器法 测量了有流情况下管道内声学参数，这种方法需要在消声器上下游安装多个 传声器，采用最小二乘法处理信号，可提高测量精度，拓宽测量范围。 1 4 本文的主要工作 基于以上的分析，确定了本文的主要研究工作： l 、研究基于c f d 的三维时域法计算声学问题的理论和数值处理过程，将 其应用于预测排气消声器的声学性能，分析该方法在消声器声学性能计算中 的有效性及其优缺点。 2 、设计并搭建消声器声学性能测量试验台，合理布置声源及声学参数测 量系统，使该台架可用于高流速条件下消声器传递损失的测量以及消声器流 噪声特性的研究。 3 、研究消声器传递损失测量方法，将两负载法应用于无流及有流条件下 消声器传递损失的测量。有流时，采用同步时域平均方法减弱流噪声给测量 带来的干扰。分析和总结测量过程中的难点及引起误差原因。 4 、利用三维时域法计算和分析直通穿孔管消声器的声学性能，研究穿孔 率、穿孔孔径、穿孔管壁厚、穿孔排列方式等结构参数及气流速度对消声器 声学性能的影响，计算和分析中心管部分穿孔及带有分隔管的直通穿孔管消 声器声学性能，为消声器的设计提供指导依据。 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章三维时域法理论基础 消声器声学性能预测的三维时域方法，需使用三维数值方法模拟压力脉 冲在消声器内部传播过程，计算消声器上、下游管道内的压力变化历程。因 此三维时域方法的理论基础是计算流体力学( c f d ) ，采用c f d 技术对流场进 行数值计算的过程包括五个主要环节： 1 、建立物理模型。建立消声器及其上下游管道的物理模型，本文要模拟 的排气消声器类型包括：简单膨胀腔消声器、双级膨胀腔消声器、直通穿孔 管消声器等。 j 2 、建立数学模型。对于消声器内部流场控制方程为不可压粘性流体流动 控制微分方程。另外高流速条件下，消声器内部流动为湍流流动，所以需要 结合湍流模型构成对所研究问题的完整描述。 3 、网格划分。在微分方程离散化时，通常将计算区域划分为许多微小单 位，用离散的网格代替求解问题的连续空间。 4 、确定控制方程离散方法。由于所建立的各微分方程相互耦合，且具有 非线性特征，目前只能利用数值方法进行求解，这就需要对控制方程进行离 散化处理，得到节点间物理量的代数方程组。 5 、采用数值方法求解控制方程离散后形成的代数方程组，获得流场的离 散分布。 2 2 流场控制方程 消声器内部流体流动满足质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。 控制方程是这些守恒定律的数学描述。本节介绍这些基本的守恒定律所对应 的控制方程嘲。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 2 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律，即单位时间内流体微元体中质 量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可 以得出质量守恒方程： 等i - d i v ( ) ：0 ( 2 1 ) 即挈+ 型+ 劐+ 剑：o ( 2 - 2 ) a苏却瑟 式中：p 密度， f 时间， u 速度矢量， 玉、1 ，、w 速度矢量在x ，y ，z 方向的分量。 2 2 2 动量守恒方程 动量守但万栏的表述为：微兀体中流体的动量对时间的燹化翠等于外界 作用在该微元体上的各力之和。该定律实际上是牛顿第二定律。按照这一定 律，可以导出x ，y ，z - - - 个方向上的动量守恒方程： 掣+ d i v 妇u ) ：一挈+ 冬+ 孥+ 肇+ c ( 2 - 3 ) o lo xa ) c o v o z 掣o t + a i v 仂u ) = 一考+ 拿o x + 鲁+ 鲁一 ( 2 _ 4 ， 鲫o v a z 掣o t 砌v 伽u j = 一挈o z + 肇o x + 等+ 錾o z 一 ( 2 - 5 ) 咖 式q b ：p 流体微元体上的压力， e ，c 微元体上的体力， f 。，f 叫，因粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应 力f 的分量。 1 2 哈尔滨。i ：群大学硕十学何论文 以上三个式子是对任何类型的流体( 包括非牛顿流体) 均成立的动量 守恒方程。对于牛顿流体，粘性应力与流体的变形率成正比例，则以上的 动力方程可以改写为： 掣+div咖u)=divb,伊adut“) 一罢城 ( 2 - 6 ) a r 掣c l t + d i v b u ) = d i v 沁脚v ) 一挈o y + s ， ( 2 7 ) 掣+ d i v 伽u ) = d i v 细w ) 一笔城( 2 - 8 ) 讲 叱 式中：舯d 梯度，g r a d 0 = a o & + a 0 o , 4 - a o m u 速度矢量， s 。，s ，s 0 动量守恒方程广义源项。 式( 2 - 6 ) 一( 2 1 8 ) 即为动量守恒方程，也称为运动方程，或者n a v i e r - s t o k e s 方程。 2 2 3 能量守恒方程 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：微元体中的能量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。该定律实际上是热力学第一定律。以温度丁为变量的 能量守恒方程为： 掣+ d i v ( 朋) ：d i v ( 生鲥丁) + s r ( 2 - 9 ) 该式可以写成展开形式： 旦翊+ 丝边+ 业型+ 趔一 ：昙o ( 毒罢o x - 昙 寺o y 等 + 丢( 毒警 + 品 q 。1 式中：c ，比热容， 哈尔滨t 程大学硕十学佗论文 k 一一流体的传热系数， & 流体的内热源及由于粘性作用机械能转换为热能的部分。 需要说明的是，虽然能量方程( 2 - 9 ) 式是流体流动与传热问题的基本控制 方程，但对于不可压流动，若热交换量很小以至于可以忽略时，可以不考虑 能量守恒方程。这样，只需要联立求解连续方程和动量方程。 为了便于对各控制方程进行分析，并用同一程序对各控制方程进行求解， 需要建立各基本控制方程的通用形式。 比较以上三个基本的控制方程( 2 1 ) ，( 2 - 3 ) 和( 2 9 ) 式，可以看出，尽管这 些方程中因变量不相同，但它们均反映了单位时间、单位体积内物理量的守 恒性质。如果用矽表示一个通用变量，则上述的各控制方程就可以表示为以 下的通用形式： j业盟+di、，(矽)：div(rgrade)+sot 、。7 、 其展开形式为： 旦逊+ 煎趔+ 皇幽+ 倒 a t出 a y o z = 昙( r 剖o x + 昙( r 考) + 旦o z ( r 型o z ) + s苏l砂i 砂j l 式中：矽通用变量， r 一求解变量， s 广义源项。 2 2 4 湍流模型及其控制方程 ( 2 - - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 湍流又称紊流，是自然界和工程领域常见的流动现象，但由于湍流本身 的复杂性，至今仍有一些基本问题尚未解决。消声器内部结构复杂，当流体 流速高时，存在比较强的湍流现象。 对于湍流，如果直接模拟对计算机要求会很高，实际上瞬时控制方程可 能在时间上、空间上是均匀的，或者可以人为地改变尺度，这样减低计算机 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 要求。但是，修改后的方程可能包含我们所未知的变量，引入湍流模型就是 用已知变量来确定这些未知变量。湍流模型理论是以r e y n o ld s 平均运动方程 与脉动方程为基础，依靠理论与实验相结合，引入一系列模型假设建立一组 描写湍流平均量的封闭方程组的理论计算方法。所谓湍流模型是把湍流流动 的脉动值附加项与时均值联系起来建立的一些特定关系式，它使描写湍流流 动的方程组得以封闭。 标准七一占模型是典型的两方程模型，该模型是目前使用最为广泛的湍流 模型，它是在关于湍动能后的方程的基础上，再引入一个关于湍动耗散率s 的 方程，形成标准七一g 模型。该模型是由l a u n d e r 和s p a l d i n g 于1 9 7 2 年提出 的。在模型中，湍动能耗散率占和湍动粘度鸬分别定义为旧，： _ = 艘捌 - 3 ) 簟= 孵等 ( 2 _ 1 4 ) 在标准七一占模型中，七和s 是两个基本未知量，与之相对应的输运方程 为： 掣+ 掣= 邻+ 丝o - , 、i j 堡苏jj l 蛳g a 一+ 瓯 型o t + 掣= 孔+ 纠剖 陋 苏；苏iii 仃。j 舐，i，、 + c l 。三( g k + c 3 。g 6 ) 一c 2 。p 三一+ s 。 kk 式中，q 是基于平均速度梯度的湍动能产生项，其表达式为： q = “( 考+ 鼍 考 c 2 川， 描述了可压缩湍流的脉动膨胀对总体耗散率的影响，= p s 2 m , ，m 为 湍流马赫数模型常数g 。= 1 4 4 ，c ，。= 1 9 2 ，g 。= 0 ，七和s 的p r a n d t l 数 1 5 哈尔浜i w - 人宁坝十学位论文 吒= 1 0 ，仃占= 1 3 ，经验常数巳= 0 ，忽略重力的影响，由于浮力引起湍动 能产生项q = 0 。 标准k s 模型对时均应变特别大的情形，可能导致负的正应力，为使流 动符合湍流物理定律，需要对正应力进行数学约束。为保证这种约束的实现， 文献【5 4 】认为湍动粘度计算式中的系数巴不应是常数，而应与应变率联系起 来。从而提出了模型r e a l i z a b l e k s 模型，在这种模型中，关于k 和占的输运 方程如下： 型a t + 幽0 x , 亍邻+ 箦崩岍伊 ( 2 _ 1 8 ) 钙吒钙i 。 、。 型+譬=考陋+鸶考l+,ocieat 一鹏香k c 2 羽，挑 叙，il 。吒良，i 2 + w 其中，吒_ 1 o ，吒“2 ，c 一9 ，c - 一a x 卜3 ，专j ， 吲2 舭扩) 吾，易= 糖+ 封 r e a l i z a b l e k s 模型已被有效地应用于各种不同类型的流动模拟，包括 旋转均匀剪切流、管道内流动、边界层流动以及带有分离的流动等。 2 3 网格划分 网格生成技术是计算流体力学的一个重要组成部分，是促进c f d 工程实 用化的一个重要因素。网格品质的好坏直接影响数值解的计算精度，而且多 数情况下是决定性的。 计算网格按照网格点之间的临近关系，可以分为结构化网格、非结构化 网格及混合网格三个大类。结构化网格可以用计算机语言中的多维数组存储， 网格点之间的邻接关系可以通过相应的数组指标确定，在计算机上数据组织 方便。非结构化网格在网格和节点排列方式上没有特定的规则，它的节点和 1 6 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 单元分布是任意的，非结构化网格由于处理复杂几何形状时有很大的灵活性， 因而，它成为常用的网格。混合网格是结构化网格和非结构化网格的组合。 对于结构比较简单的单级膨胀腔消声器和带内插管的膨胀腔消声器，可 以采用单纯的结构化网格进行网格划分，但是对于穿孔管类型的消声器，则 无法采用结构化网格进行划分，必须进行块划分，将可以用结构化网格划分 的区域尽可能地划分出来，剩余区域采用非结构化网格划分。 2 4 有限体积法 经过四十多年的发展，c f d 出现了多种数值方法，这些方法之间的主要 区别在于对控制方程的离散方式。根据离散方式的不同，c f d 大体可以分为 三个分支：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) ，有限元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 。本文计 算采用的为商业软件f l u e n t ，这种软件采用有限体积法离散上述控制方程， 下面介绍有限体积法。 有限体积法的基本思路是：将计算域划分为许多互不重叠的网格，而且 围绕每一个网格节点，都有一个控制体，然后对每一个控制方程在控制体上 进行积分，得到包含一组节点计算变量( 如压力、速度等，以下用符号来 表示) 值的离散化方程。 前面就已经介绍了通用形式的控制方程( 2 1 1 ) ，该方程为守恒型的控制 方程，可以用来直接在时间域和控制体积上积分。为了说明更直接，现暂不 考虑对时间域的积分。将上述方程在任意控制体积p 积分，有： 工矿挚矿+ 矿d i v ( p # u ) d v = 矿d i v ( fg r a d 矽) d v + 量矿跗矿( 2 - 2 0 ) 利用高斯散度定理对上式进行变换，有： 工矿学l p c 眦, v , d s = l f 罢v 积+ 工矿跚矿 ( 2 _ 2 1 ) 式中，y 表示控制体积p 的体积，a s 表示该控制体积的表面积( 在二维 问题中是多边形的边长) ，石，表示坐标方向，v ，表示控制体积各边的单位法 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 向矢量，甜，表示速度分量。现对方程( 2 1 8 ) 中的各项讨论如下。 l 、瞬态项 f 望蛾矿：! 趔趔矿 a t& ( 2 - 2 2 ) 式中，上标0 代表在前个时间步的值，f 是时间步长，矽p 是变量在控制 中心点尸处的值 2 、源项 工矿钳y = s 矿= ( + 昂办) 矿= - 矿+ - 昂办矿 ( 2 2 3 ) 3 、扩散项 l r 静嘏= 粪 ( 九一办) 扣珂 r ( 屹知一0 血) ) + ( 2 2 4 ) 式中n s 是控制体积p 的总面数，也就是相邻控制体积的数量。变量e 表示 与控制体积尸有公共面的各个控制体积，符号v ，和v 。表示控制体积各界面 的单位法向矢量的分量，符号a x 和y