（动力机械及工程专业论文）自调节双模式排气消声器声学与流场特性研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 排气消声器被广泛应用于控制内燃机的排气噪声，其评价指标主要有 消声性能和空气动力学性能。为了在消声器的设计过程中同时兼顾这两项 性能指标，平衡它们之间的矛盾，许多汽车厂商在排气系统中使用了双模 式消声器，并取得了良好的效果。 虽然双模式消声器的应用已有较长一段时间，但是只有少量通过实验 方法进行研究的文献出现，目前仍然存在许多未知的声学和流场特性有待 研究。为此，本文首先通过计算实例表明了声学有限元法( f e m ) 和有限体积 法( f v m ) 在预测消声器声学性能和压力损失的可行性和准确性。然后，使用 声学有限元软件s y s n o i s e 深入研究了无流时双模式消声器的低频共振产生 机理；使用c f d 软件f l u e n t 分析了不同气体流速和阀门开启角度时双模式 消声器内部流体流动的变化情况。在此基础上，讨论了不同气体流速和阀门 开启角度对消声器声学特性的影响；本文还探讨了结构参数的变化对声学 和压力损失的影响，从而为产品的优化设计提供参考。 在研究了蝶形阀门双模式消声器的基础上，本文还提出了一种活塞式 双模式消声器，通过对其消声性能和压力损失的初步探讨，说明了这种结 构消声器也同样具有双模式效应。 关键词：双模式消声器；声学性能；压力损失；有限元法；有限体积法 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t e x h a u s tm u f f l e r sa r ew i d e l yu s e dt oc o n t r o lt h ei n t e r n a l c o m b u s t i o ne n g i n ee x h a u s tn o i s e t h em a i np e r f o r m a n c ec r i t e r i ao f e x h a u s tm u f f l e r sa r 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 ea n d a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e i no r d e rt om e e tb o t hr e q u i r e m e n t sa n d b a l a n c et h ec o n f li c t sb e t w e e nt h e mi nm u f f l e rd e s i g np r o c e s s ，m a n y a u t o m o t i v ec o m p a n i e s d e v e l o p e dt h ed u a lm o d e m u f f l e r si ne x h a u s t s y s t e m s ，a n dr e c e i v e dg o o de f f e c t s t h o u g ht h ed u a lm o d em u f f l e r sh a v eb e e nu s e df o ral o n gt i m e ， h o w e v e r ，t h e r e a r eo n l yaf e wr e l a t e d p u b li c a t i o n s a n do n l y e x p e r i m e n t a l m e t h o d sa r eu s e d ，a n dm a n yu n k n o w na c o u s t i ca n d a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ss t i l l n e e dt ob ei n v e s t i g a t e da tt h e p r e s e n tt i m e a sar e s u l t ，t h ef e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft w o n u m e r i c a lm e t h o d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n df i n i t e v o l u m e m e t h o d ( f v m ) a r ed e m o n s t r a t e db yn u m e r i c a le x a m p l e sa tf i r s t t h e n ， t h er e s o n a n c em e c h a n is mo ft h ed u a lm o d em u f f le rt h a ta p p e a r sa tl o w f r e q u e n c i e sw i t hn of l o wi ss t u d i e di nd e t a i lb yu s i n gt h ea c o u s t i c f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r es y s n o i s e ；f l u i df l o ww i t hd i f f e r e n tf l o w v e l o c i t i e si nt h ei n l e ta n dv a l v eo p e na n g l e si n s i d et h em u f f l e ri s a m p l yp r e s e n t e db yu s i n gt h ec f ds o f t w a r ef l u e n t b a s e do nt h e f o r e g o i n ga n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tf l o wv e l o c i t i e sa n d v a l v eo p e na n g l e so nt 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 ft h e m u f f l e ra r ed i s c u s s e di nt h ep a p e r t h ee f f e c t so ft h eg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r so nt h ea c o u s t i cp e r f o r m a n c ea n dp r e s s u r el o s sa r ea l s o i n v e s t i g a t e d ，w h i c hi sb e n e f i c i a lt ot h eo p t i m u md e s i g no fp r a c t i c a l m u f f l e r s b a s e do nt h es t u d yo fd u a lm o d em u f f l e rw i t hb u t t e r f l yv a l v e ， 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 ak i n d6 fp is t o nc o n t r o ll e dd u a lm o d em u f f l e risp r e e n t e d ，a n dt h e a c o u s t i ca n da e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ei ss t u d i e dp r e l i m i n a r i l y ，w h i c h ill u s t r a t e st h a tt h ism u f f l e rm a yp e r f o r mt h ed u a lm o d ef u n c ti o n s t o o k e y w o r d s ：d u a lm o d em u f f l e r ：a c o u s t icp e r f o r m a n c e ：p r e s s u r el o s s ： f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：f i n i t ev o l u m em e t h o d 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) ：盗_ 峄 日期：w 年易月脚e t 哈尔滨t 程大学硕一f ：学伊论文 第1 章绪论 1 1 发动机噪声及其控制 随着社会现代化的进步以及汽车工业和交通运输业的发展，国内汽车 的拥有量与日俱增，使得噪声危害的范围r 益扩大。据国内外资料统计， 机动车辆所包括的总功率比其他各种动力( 飞机、船舶、电站等) 的总和大 2 0 倍以上。它们所辐射的噪声约占整个环境噪声能量的7 5 。各种调查和 测量结果表明，城市交通噪声是目前城市环境中最主要的噪声源。因此， 降低机动车辆本身的噪声是减少城市环境噪声最根本的途径。 汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源。由于汽车噪声源中 没有一个是完全密封的( 有的仅是部分的被密封起来) ，因此汽车整车所辐 射的噪声就决定于各声源的声级、特性和它们的相互作用。汽车噪声大致 可分为发动机噪声和底盘噪声，前者与发动机转速有关，而后者主要与汽 车车速有关。 发动机噪声是汽车的主要噪声源。发动机噪声可分为空气动力性噪声、 机械噪声和燃烧噪声。 空气动力性噪声主要包括进、排气和风扇噪声。这是由于进气、排气 和j x l 扇旋转时引起了空气的振动而产生的噪声，这部分噪声直接向周围的 空气辐射。在没有进排气消声器时，排气噪声是内燃机的最大噪声源，进 气噪声次之。风扇噪声特别在风冷内燃机上也往往是主要的噪声源之一。 燃烧噪声和机械噪声很难严格区分。为了研究方便起见，将由于气缸 内燃烧所形成的压力振动通过缸盖、活塞连杆一曲轴一机体向外辐射的 噪声叫燃烧噪声。将活塞对缸套的撞击、正时齿轮、配气机构、喷油系统 等运动件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声叫做机械噪声。一般直喷 式柴油机燃烧噪声高于机械噪声，非直喷式则机械噪声高于燃烧噪声，但 低速运转时燃烧噪声都高于机械噪声。汽油机燃烧柔和，零件受力也小， 燃烧噪声和机械噪声都较柴油机低。 哈尔滨：l ：程人学硕十学位论文 如前所述，排气噪声是汽车及其发动机最主要的声源。它的噪声往往 比发动机整机噪声( 排气噪声除外) 高1 0 - - 1 5 分贝。对发动机排气噪声的控 制，可以分为两个方面。 一方面可以对噪声源本身采取措施，这需要从噪声机理分析入手，采 取相应的对策，但这些措施往往又要涉及到排气系统，如凸轮轴、气门机 构以及气缸盖的设计，而这些又要影响到内燃机其他方面的性能，因而需 要综合考虑并进行大量的实验研究。主要工作集中在不改变发动机性能和 排气系统不做大的改变的情况下，采取一些措旋来降低声源噪声。诸如： 改变排气歧管的布置，使吹过管口的气流方向与该管的轴线方向夹角保持 在最不易策动该管发生共振的角度范围内：合理设计各支管的长度，使管 的声共振频率错开；使各排气支管管口及各管之问连接处都有较大的过渡 圆角，减小断面突变。避免管口存在尖锐的边缘，以减弱声共振作用，等 等。 第二方面的降噪减振措施包括采用消声器和控制由发动机排气歧管传 来的机械振动。这些措施的采用不影响发动机的性能，又比较易于实现， 其中最主要、最有效、最简单的方法就是采用排气消声器。 1 2 排气消声器的分类及其评价指标 消声器是噪声控制工程中常用的一种装置。一般用于控制空气动力性 噪声，通常安装于空气动力设备的进出口或者气流通道上。它既能允许气 流顺利地通过，又能有效地阻止或者减弱声能向外传播。一个合适的消声 器，可以使气流噪声降低2 0 , - 一4 0 d b ，相应响度降低7 5 - - - - , 9 3 。因此，在噪 声控制工程中得到了广泛的应用怛，。 消声器通常被分为有源消声器和无源消声器两大类。不同消声器的消 声原理不同，其消声特性也各不相同。常见的无源消声器可分为：阻性消 声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器。阻性消声器适合于消减中、高频 率的噪声，消声频带范围宽，但对低频噪声的消声效果较差。抗性消声器 主要适合于消除中、低频率的窄带噪声，对宽带高频噪声则效果较差。鉴 于阻性消声器和抗性消声器各自的特点，常将它们组合成阻抗复合式消声 2 哈尔滨- i 祥人学硕十学位论文 器，以便在较宽的频率范围内获得良好的消声效果。i 尽管无源消声器的发 展比较成熟，但仍存在一些难以克服的缺陷。其质量和体积一般比较大， 对安装要求高，因此不适宜在现代工程机械和汽车上进行紧凑的布置。 随着消声器技术以及现代数字信号处理技术的发展，消声器己朝着有 源控制的方向发展。有源消声是指噪声的主动控制，它根据两个声波相消 性干涉或声波辐射抑制的原理，通过人为地制造声源，使其发出的声音与 原来的噪声源辐射噪声大小相等、相位相反，使二者相互抵消，从而达到 降噪的目的。有源消声器有着体积小以及低频降噪效果好等优点，因而有 源消声器的出现也愈来愈引起人们的重视。然而，由于技术条件的限制， 目前有源消声技术仍不能得到普遍的应用。 尽管消声器结构种类五花八门，但其性能评价指标总结起来，主要有 以下三个：声学性能、空气动力学性能和结构性能，。在绝大多数的应用中， 由于三者之间互相影响，互相矛盾，因此一个消声器的最优化设计往往是 基于三者之间的折衷选择。 消声器声学性能的好坏主要从其消声量的大小以及消声频率范围两个 方面来衡量，要求在所需要的消声频率范围内有足够高的消声量。根据测 试方法的不同，消声器声学性能的评价指标为传递损失、插入损失和减噪 量。传递损失定义为消声器进口的入射声功率级与出口的透射声功率级的 差值，属于消声器本身的声学特性，与声源和环境无关。在某一测点处， 分别测量该声源的管道系统中插入消声器前、后的声压级，其两者之差即 为插入损失，插入损失受到测量环境条件包括测点距离、方向、及管口反 射等因素的影响。减噪量是消声器进口和出口两端的声压级差，其测量受 坏境的影响产生较大的误差，只适合在试验台上对消声器的性能进行测量 分析，而很少在现场测量中使用。 空气动力性能要求消声器对气流的阻力要小，安装消声器后所增加的 压力损失要控制在实际允许的范围内。如果消声器的空气动力性能差，排 气系统的阻力很大，将会导致内燃机的油耗增加，输出功率减少。消声器 的空气动力性能可以用压力损失和压力损失系数来表示。压力损失，或称 阻力损失，是指气流通过消声器时，在消声器出口端的流体总压比迸口端 降低的数值，是评价消声器空气动力性能的重要参数，与消声器的结构特 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 征，以及气流的速度和温度有密切的关系。 结构性能要求消声器的体积要小，重量轻，结构简单，便于加工，并 且要坚固耐用，使用寿命长。 上述三个方面的要求是缺一不可的，既互相联系又互相制约。从消声 器的消声性能考虑，当然在所需频率范围内的消声量能越大越好，但是同 时必须考虑到空气动力性能的要求。在兼顾消声器声学性能和空气动力性 能的同时，还必须考虑到结构性能的要求，不但要耐用，还应避免体积、 重量过大、安装困难等情况。目前消声器的研究主要集中在综合研究消声 器的声学性能和空气动力性能。 1 3 消声詈詈的研究现状 1 3 1 声学特性的研究现状 消声器声学性能的理论计算是内燃机排气系统设计的基础，因而计算 时所采用的理论模型证确与否将直接影响计算结果的准确性。截至目前， 工程中常用的消声器声学性能研究方法包括以下几种：基于平面波理论的 传递矩阵法、二维和三维声学有限元法和边界元等数值方法。 1 、传递矩阵法 基于平面波理论的传递矩阵法，又叫四端网络法，其基本思想是：根 据电路中的四端网络原理，每个消声单元的声传递特性可用四极子参数矩 阵来表示，即将消声器的出口端和入口端的声压与其产生的速度( 包括质点 振速、体积速度或者质量振速) 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。消声器的传递特性可用每个消声单元的 四级子参数矩阵的乘积来确定。 早在1 9 2 2 年，美国学者s t e w a r t 率先用声滤波器理论指导抗性消声器 设计，利用集中参数近似算法分析消声器元件旧。这种方法仅在声波波长远 大于消声器尺寸时才+ 成立。在此后相当长的一段时间内，这种声学滤波器 理论进一步得到发展和应用。1 9 5 4 年d a v i s 发表了平面波理论的经典论文， 运用平面波理论，分析了无气流情况下的消声器的声学特性旧1 。1 9 7 0 年 4 哈尔滨工程入学石贞十学何论文 f u k u d a 卜i 发表了用等效电路得到的传递矩阵法计算消声器的黄声特性的文 章。在这同一对期，s u l l i v a n 对存在平均气流时的声传递短阵进行了研究。 七十年代，c r o c k e r 和t h a w a n i t 川提出了存在气流影响时的声波传播理论， 但仍然没有考虑温度梯度的影响。八十年代以后，随着对气流和温度研究 的进一步深入，p r a s a d 和c r o c k e r l l 0 - 1 2 1 推导了具有平均气流及线性温度梯度 的直管段的四极子参数，对多缸内燃机排气消声系统的声学性能预测结果 和实验结果一致性较好。 八十年代后期，国内很多专家学者对消声器进行了深入研究。赵松龄、 盛胜我“”着重研究管道结构中含同轴穿孔管时的声传播特性，并对穿孔管 与主管道垂直交叉时的声传播特性作了进一步分析，导出了相应结构声传 递矩阵的精确计算公式。蔡超、宫镇- 等以消声器传递矩阵分析方法为基础， 导出了1 2 种拖拉机抗性消声器声学子结构的声传递矩阵，以传递损失为评 价指标，实验验证了两个消声器的声学性能。黄其柏m ，以刚性直管为研究对 象，推导了具有非均匀流场的刚性直管的声场传递矩阵，在此基础上，以 扩张式消声器为例进行理论计算与声学性能分析。 基于一维平面波理论的传递矩阵法虽然简单明了，计算量又小，还能 相对容易地考虑气流和温度的影响，但只在消声器截面尺寸较小，且噪声 频率不太高( 1 0 0 0 h z ) 的情况下适用。当消声器内部结构复杂或者频率升高 时，由于高次模式波的出现，实验结果与理论分析表明，一维平面波的分 析结果并不准确。在这种情况下，应该采用更加准确的二维和三维数值方 法：有限元法、边界元法等。 2 、有限元法( e l n i t eg l e m e n tm e t h o d ) 有限元法( f e m ) 的基本思想是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。 它将求解域看成是由许多称为有限单元的小的互连子域组成，对每一单元 假定一个合适的( 较简单的) 近似解，然后推导求解满足这个域的总条件( 如 结构的平衡条件) ，从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解， 因为实际问题被较简单的问题代替。由于大多数实际问题很难得到准确的 解析解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂的结构形状，因 而在实际的工程计算中得到广泛的应用。 有限元法最早被用来作为一种结构应力的数值分析工具m 圳，后来这种 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 方法被g l a s - e l ! “和c r a g g s “拓展到声学领域。自1 9 7 5 年起，有限元法 开始应用于 童声器声学特性评价领域，y o u n g 和c r o c k e r 首次提宝属有限元 法分析消声器的传递损失，他们采用二维矩形单元与拉格朗同函数法对简 单扩张腔进行了身行2 “。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，。直到1 9 7 8 年以前，所有的有限元法 推导公式都是仅限于稳定介质状态。1 9 7 9 年a s t l e y 利用加权余量法和有限 元法研究了具有流动介质的管道中声传播的特征值问题：。1 9 8 2 年，p e a t 以能量函数作为研究对象，利用四极子参数有限元法评价了具有流动介质 的管道中声传播”。m u n j a l 出版的第一本关于管道声学的专著，书中系统地 介绍了有限元方法对消声器的设计起了很大的促进作用m 。进入2 1 世纪以 来，由于计算机技术的发展，使得基于声学有限元法的大型商业软件比如 s y s n o i s e 协“的应用已经得到实现。近年来，在国内也发表了很多利用有限元 软件分析、改进消声器声学性能的文献n ”- ，并对消声器的设计起到了的指 导作用，同时也促进了有限元法的发展。 与传统的消声器消声特性分析方法相比较，利用有限元法实现对消声 器的二维或者三维的数值计算，不但可以计算出各个频率下声压分布情况， 而且该方法能充分考虑其自身结构、介质、温度和气流参数的影响。在合 理选取边界条件的情况下，能够更准确地反映出消声器结构参数变化对消 声器声学性能的影响，从而提高分析精度。然而随着求解精度的提高，消 声器内部网格划分将越来越密，有限元计算过程对计算机处理器和内存的 要求变得非常高，一般计算机难以处理。另外，目前的声学有限元大型商 业软件s y s n o i s e 在处理存在气流影响的消声器内部声场问题时，只能处理 结构简单、低马赫数流时的情形，并且计算量也是相当大。 3 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ) 边界元法( b e m ) 是伴随着有限元发展起来的一种有效的数值方法。它以 边界积分方程为数学基础，通过将求解区域的边界离散为边界单元，将边 界积分方程离散为线性代数方程组，再由数值方法求解，从而得到原问题 的边界积分方程的解。 t a n a k a b “用边界法计算了一个简单消声器的插入损失。k i p p 及 b e r n h a r d “用问接边界元法分析了声腔内部声场。秦达华”叫用边界元法计算 6 哈尔滨一l ：程人学硕十学位论文 了轴对称管道和消声器的声学特性，同年t e r a o 和s e k i n e + 使苇了结构边 界元技术订算了带内插彗的二维膨胀腔的传递损失并与有限元及实验结果 进行了比较，使用子结构技术消除了由于管道内插管带来的奇异性。吴诰 硅23 等用二维边界元：圭建立了消声器的数学模型，计算消声器的插夕、损夫。 s e a m e t 和j p 。在使用边界元法分析消声器内部声场方面做出了卓越壹弓贡 献，发表了大量利用边界元法分析计算消声器声学性能的文章。王雪仁则 发展了快速多极子边界元法和双倒易边界元法圳。 边界元法具有准备工作量少、计算时间短、对计算机内存及速度要求低 等优点，因而在工程中得到了广泛的应用。边界元法的主要缺点是它的应 用范围以存在相应微分算子的基本解为前提，对于非均匀介质等问题难以 应用，故其适用范围远不如有限元法广泛，而且通常由它建立的求解代数 方程组系数阵是非对称满阵，对解题规模产生较大限制，对一般的非线性 问题，由于在方程中出现域内积分项，从而部分抵消了边界元法只要离散 边界的优点。 1 3 2 流场特性的研究现状 排气消声器设计要兼顾降噪和发动机动力性两方面因素，也就是说， 在使消声器的声学性能达到要求后，其内部气体流动是否顺畅对发动机的 有效功率将产生重要影响。事实上，发动机排出的废气是高速和高温脉动 气流，由于流体的流动导致消声器的消声量和消声频率发生改变。此外， 由于流体流动产生涡流和冲击消声器壳体形成再生噪声，严重情况下，消 声器不消声，还可能成为新的噪声源。特别需要注意的是，消声器的压力 损失与发动机的功率和燃油经济性密切相关，是消声器设计的另一个重要 指标，而压力损失也与流体流动密切相关。总之，由流体流动导致的压力 损失和二次噪声是影响目前消声器理论计算准确性的主要原因，因此详细 研究消声器内部流动问题是消声器优化设计所必需的。 计算流体动力学。8 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 通过计 算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的 系统所作的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上 7 哈尔滨r 丁程人学硕十学位论文 连续的物理量自j 场，豇速寰场和压力场，用一系列有限个离散点上j 乞变量 值的集合来代替，遵蓬一定的规则和方式建立起关于这些离散点上场燹量 之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似1 直。若采 用c f d 对消声器内泵疲场进行研究，不仅可以获得消声器结构参数以及他 们的相对位置对流动宏观特性的影响，而且可以获得其内部流场的大量微 观信息。经过四十多年的发展，c f d 出现了多种数值解法。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 r ee 1 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 ) 有限差分法是应用最早、最经典的c f d 方法，它将求解域划分为差分 网格，用有限个节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商 代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。求出差分方程的 解，就是微分方程定解问题的数值近似解。它是一种直接将微分方程变为 代数问题的近似数值解法。这种方法发展较早，比较成熟，较多应用于求 解双曲型和抛物型问题。在此基础上发展起来的方法有 p i c ( p a r t i c l e i n c e t l ) 法、m a c ( m a r k e r a n d c e l l ) 法，以及有限分析法 ( f i n i t ea n a l y t i cm e t h o d ) 等。 有限元法是2 0 世纪8 0 年代开始应用的一种数值解法，它吸收了有限 差分法中离散处理的内核，又采用变分计算中选择逼近函数对区域进行积 分的合理方法。有限元法因求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此 应用不是特别广泛。在有限元的基础上，英国的b r e b b i a 等提出了边界元 法和混合元法等方法。 有限体积法是将计算区域划分为一系列控制体积，将待解偏微分方程 对每一个控制体积积分得出离散方程。有限体积法的关键是在导出离散方 程过程中，需要对界面上的被求函数本身及其导数的分布做出某种形式的 假定。用有限体积法导出离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程 系数物理意义明确，计算量相对较小。1 9 8 0 年，s v p a t a n k a r 在其专著 n u m e r i c a lh e a tt r a n s f e ra n df l u i df l o w 恻中对有限体积法作了全面 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 的阐述。此后，该方苎等至i 了广泛的应用，是目前c f d 应用最广泛奎誊- l 种 方法。当然，对这种方三i 三研究和扩展也在不断进行，如p c h o w 提出了 适用于任意多边形非结韵隧格的扩展有限体积法旧。随着理论的逐渐成熟和 计算机技术的快速发展，各种基于有限体积法的商业软件( 例如f l u e n t ) 越 来越多地被用来进行消声器的流场分析。由此，也有很多这方面的文献得 以发表“，。在这些文献中，作者运用大型商业软件对消声器进行了流场数 值模拟，并借此得到了消声器内流速、温度和压力的详细分布情况，对消 声器的设计有很好的指导作用，提供的信息弥补了设计手段的不足。 1 4 课题的提出营景及本文的主要工作内容 1 4 1 课题的提出背景 排气消声器的内部往往设计得比较复杂，例如有针对不同频率的亥姆 霍兹消声器和1 4 波长管等。复杂的内部结构会使得气流不通畅，增加了 排气系统的背压，从而增加了发动机的功率损失。如果把消声器设计得简 单，虽然空气流动通畅，阻力小，功率损失小，但消声效果却会下降。在 设计的时候，要想方设法去平衡降低噪声与减少功率损失这对矛盾。不同 的公司有着不同的设计思想，比如丰田佳美( c a m r y ) 比福特金牛星( t a n r u s ) 安静，但是佳美排气系统的功率损失达1 1 ，而金牛星的排气损失仅为6 1 。 控制 图1 i ( a ) 双模式消声器( 阀门关闭) 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 控制 图1 1 ( b ) 双模式消声器( 阀门开启) 在2 0 世纪8 0 年代，人们提出了双模式消声器来解决这对矛盾。图1 。1 ( a ) 所示为一种结构的双模式消声器，在这个消声器里面安装了一个控制阀门。 低转速时，阀门关闭，此时消声器的消声效果良好。而高转速时( 通常是 3 0 0 0 r m i n 以上) ，在气流的冲击下，阀门被冲开，如图1 1 ( b ) 所示，此时 空气流通阻力减小，因此功率损失降低j 阀门打开之后，虽然尾管中由于 燃烧而产生的空气噪声量增加，但是气流摩擦产生噪声却减小。高转速时， 气流摩擦噪声是尾管噪声的主要成份，因此通畅的气体流动使得总体噪声 可能反而降低。 转速( r r a i n ) 图1 2 采用双模式消声器时的尾管噪声 1 0 国v缸些鼬咄 转违( r r a i n ) 图13 采用双模式消声器时的排l 背压 图1 2 和图13 分别为排气系统采h j 了烈模式消声器之后，当阀门丌 启和关闭时的尾管噪声曲线和压力曲线。从曲线可以看出，在低速时，阀 门关闭，尾管噪声低：而在高速时，阀门，r 启，尾管噪卢也相对较低。另 外，排气背压比阀门关闭时明显下降了许多。根据文献 5 6 】的介绍，这个速 度的转折点一般发生在3 0 0 0 r m i n 左右。 上面介绍的双模式消声器的控制阀门是在消声器内部，图1 4 所示的 也属于这种类型。控制阀门也可以安装在外部，如图1 5 所示。它的工作 原理与控制阀门在消声器内部的双模式消声器足样的。 幽14 控制阀门在内部的双模式消卢器 孟v出粗旷鞲 圈1 5 控制阀f l 在外部的双模式消声器 这两种双模式消卢器部没有控制系统和额外的能幂供给系统，但是对 尾管雌声与排气系统的功率损失都起到了调肖作j 1 】，冈此町以称为自渊节 双模排7t 消声器。 h 前般模式消，* 器主要足在几奉牟和敞洲牟f 采用。1 9 8 7 年尼桑的 c e d r i c 、g l o r i a 和c i m a 等系列汽车采州了这种消声器。尼桑的部车在采 用了这种消声器后，在6 0 0 0 r m i n 时，尾管噪声降低r 十多分贝，而排气 背压则有明显的减小。一般来醴，如果消声器的容积相等，双模式消声器 比一般消声器多降低5 l o d g ，而功率损失也减少约3 0 。如粜噪声和功率 损失柑等，双模式消卢器的容积则一叮以减小很多。但足双模式消声器山j ： 多r 一个控制阀j ，凼而成本增加，内簧阀fj 约5 】0 美元，外置阀约 t o 2 0 美儿。另外，系统的可靠性降低、维修难度增力。 除了白调节般模式排气消声器外，还有主动控制的双模式消声器“”。 通常在排7e 系统巾设胃相应的传感器将发动机转速、负荷、排气背压或残 存嵘声等信号传递给控制系统，控制系统进而推动阀门的歼关。在不同工 况卜，阀门，l ：关的大小可以由控制系统来控制。本文的研宄对象是自硐节 艰模式消声器。 直到今灭，自调仃双模成消卢器虽然量产化已经有较长段时问，但 是关于这方面的文献却很少见，对此进行详细研究的仪有g e n z h ul i u “等， 他们主要采取实验手段来研究双模式消声器的声学特州。由f 双模式消声 器仍存在许多未知的声学和流场特性，因而本文将对此丌腱具体的研究。 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 1 4 2 本文的主要工作内容 基于以上分析，本文的主要工作内容如下： 1 、通过数值仿真软件来计算和分析蝶形阀门双模式排气消声器在不同 流速和阀门开启角度时的基本声学和流场特性，并详细讨论几何结构参数 的影响。 2 、提出新型结构的双模式排气消声器，并对其声学和流场性能进行初 步探讨。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章消声器内部声场的数值仿真 传统的排气消声器设计研究主要根据一维平面波理论，但该理论局限 于平面波范围内，无法考虑实际复杂结构的汽车排气消声器内部的三维声 场。为精确预测消声器的声学性能，需要使用三维数值方法。有限元法( f e b ) 是工程中广泛使用的数值方法，已被成功地用于计算抗性消声器的声学性 能。 2 2 理想介质中声场的数学描述 理想流体介质中，声场用标量声压和矢量质点振速来描述。若假设媒 质是连续的理想流体，不存在粘滞性，在没有声扰动时，媒质在宏观上是 静止的，均匀的，媒质中静态压强、静态密度岛都是常数。 理想连续介质声场的基本规律，可以用以下几个方程来表示恻： 质量连续方程 害+ v ( 岛“) = 0 ( 2 - 1 ) 运动方程 p o 抛+ 跏： (22)a-7 0 状态方程 式中：p 一一声压，p a ”一质点振速，m s 夕密度变化量，k g m 3 s 一熵，j k 1 4 ( 2 3 ) 哈尔滨，i ：程大学硕十学位论文 岛一声速，m s 消去密度变化量和质点振速甜，得到关于声压的波动方程： 巨卜 浯4 ， 式中v 2 为拉普拉斯算子，直角坐标系中： v 2 = 嘉+ 导+ 虿0 2 c 2 埘 8 # a 矿8 2 2 柱坐标系中： v 2 = 等七导+ 吉岳+ 导 6 ， 引入速度势函数矽，将质点振速历：一v 痧，声压p = p od a - - 矽7 代入式( 2 4 ) ， o t 则可以得到关于速度势的波动方程为： 州舢 7 ， 如果考虑的声场是稳定的，那么声压随时间的变化是简谐的： p ( 尹，f ) = p ( 尹) p 埘 ( 2 8 ) 将式( 2 - 8 ) 代入式( 2 - 4 ) ，可得： v 2 p + k 0 2 p = o ( 2 9 ) 式中氏= g _ o c 。= 2 z r a5 b 、波数。式( 2 9 ) 为亥姆霍兹方程。这样稳态简谐声场 问题的求解就转化为亥姆霍兹方程的求解。 2 3 声学有限元法 用有限元法求解问题的基本步骤为：l 、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。 本文用a n s y s 软件建立有限元模型，并进行网格划分，采用的单元类 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 型是s o l i d 4 5 ，则其形函数也就随之确定_ f 来m ，。 引入拉格明日函数，定义为： l = u k 一形 其中： 势能u = 昙l 扁白2 ( d i v 4 ) 2 d 矿 动能足= 了1j y 扁( 9 2 d y 外力做功形2 j s 。( 一p ) 彘d s 式中：乡一位移，m v 一一体积，m 3 & 一一声场的边界 对于谐振运动有： p = 岛警= j p o 彩痧 铭：一v 痧：一_ 三v p = ，“以2 老 ( 2 - 1 0 a ) ( 2 - 1 0 b ) ( 2 - 1 0 c ) ( 2 - 1 0 d ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 联合式( 2 - 9 ) ，则对于单个有限单元e ，拉格朗r 函数变为： 乞2 瓦1 一。i rp 。2 d 矿一乏去l ( 胖d 魏) 2 d 矿+ 去l 见勰 ( 2 一4 ) 其中置为单元表面。根据有限元法的理论，在整个声场域内的拉格朗日函 数，可表示为各个单元的拉格朗日函数之和，即若所选择的插值函数满足 协调性和完备性的要求，那么泛函( p ) 可表示为整个场域内所有单元的各 泛函之和。有 ( p ) = t ( 见) ( 2 1 5 ) 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 5 ) ，则在整个声学域上的拉格朗日函数为： 1 6 嗡刀i 浜j 柞人罕坝十予佩化义 ! 三= 去l p z d vz 万1l ( 胛俐2 肌击从知 ( 2 _ 1 6 ) v 为消声器的整个声场域，s 为消声器声场域的整个边界，包括进口边界s ， 刚性壁面是，出口边界墨。式( 2 1 6 ) 中最后一项则为： 去硼= 去l 啪嬲+ 一i s ：u p 搬+ 去l 哪搬 c 2 m ， 是为刚性壁面，其上质点振f l i u 。= 0 ，所以： 去“p 搬= 。 在边界墨上，求四端参数彳、c 时，l 岛= o ；求b 、d 时，p l 邑= 0 ，则： 去n p 棚= 。 因此，( 2 - 1 7 ) 式成为： 去从邮= 去“p 嬲 髀嘲 对式( 2 1 6 ) 取变分，由变分原理：d l ( p ) = 0 相当于： 百o l ( p ) ：0( 2 1 9 ) o p ) 式中， p ) 为节点声压列阵， p ) = a ，p z ，p 3 n ) r ，将式( 2 一1 5 ) 代入式( 2 1 9 ) 有： 百o l ( p ) ：争善掣：0 ( 2 2 0 ) o p ) 鲁a p ) 。 根据有限元法原理，对于任意有限单元e 上的声压p e 表示为： p e = ) r 以) 。 ( 2 2 1 ) 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 则可以得到： p e 2 = 成) 。t ) ) r 以) 。 ( 2 2 2 ) ( g r a d p e ) 2 = 溉e t g r a d n g r a d n 7 以) 。( 2 2 3 ) 联立式( 2 1 4 ) 、( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) ，求解o l e ，( p 、e ) ，：0 得到： a p 九 ( m 。一i , 0 2 吲。) n 九一j p o c o f 。 ( 2 2 4 ) 其中： 【p 】。= l 【 【rd v(2-25) m 。= l 刚 刚】7 d v ( 2 - 2 6 ) ， 。= l ) ) r d s ( 2 - 2 7 ) 将式( 2 2 4 ) 代入式( 2 - 2 0 ) ，整理最后得到： ( m 卜1 , 0 2 尸】) 岛) = 屁彩 f ) ( 2 2 8 ) 式中，【m 、 纠、 f 】分别由相应的各单元系数矩阵扩充而成。 边界条件为： p ：p 一 压力边界条件( 2 2 9 ) v n = k 速度边界条件( 2 - 3 0 ) p v = 乙 阻抗边界条件( 2 3 1 ) 在上述的边界条件下，求解式( 2 - 2 8 ) ，就能够解出消声器内的声压。 为了保证精度，进行有限元法模型划分时，最大的单元尺寸必须要小于声 波最小波长的1 5 倍旧。 2 4 消声器声学性能的计算 消声器的声学性能指标有传递损失( t l ) 和插入损失( i l ) 等。传递损失 哈尔滨一- - l ：tz 大学硕十学位论文 只跟本体结构有关，不受源特性和尾管辐射特性的影响，是消声器研究中 最常用的指标。当消声器进出口满足平面波条件时，传递损失可表示为m ， t l = 1 0 1 9 吾瑚g 引 3 2 ) 式中： 形一消声器进e l 处的入射声功率，w p ，一一消声器进口处的入射声压，p a 形一一消声器出口处的透射声功率，w p ，一消声器出1 2 1 处的透射声压，p a 图2 1 为计算消声器传递损失的原理图，消声器入口处的声压p ，可用 入射波p ，和反射波所之和来表示，即 p l = p f + n ( 2 3 3 ) 根据动量守恒定理，进1 5 1 处的质点振速h 可表示为 p o c o h = p f p ， ( 2 3 4 ) p f + p p ，+ 图2 1 消声器的声传播过程 式中，p o 为空气密度，c o 为声速。式( 2 3 3 ) 和( 2 3 4 ) 相加得 胪华 假设出口为无反射端，则 p 25p t 将式( 2 - 3 5 ) 和( 2 - 3 6 ) 代入式( 2 3 2 ) 得 t l = 2 0 1 司警l ( 2 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) ( 2 - 3 7 ) 由上式可知，当v 。为已知或给定时，利用有限元法求出消声器内声压场， 1 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 再将其进出口的声压值代入式( 2 3 7 ) ，即可得到消声器的传递损失。 除此之外，计算传递损失还可以利用另外一种方法，即四极子参数法。 根据四端子网络原理，消声器进出口的声学变量存在关系 孑 = 詈d b j l u p 2 2 ( 2 - 3 8 ) 下标1 、2 分别代表进口和出口。u 为体积速度，u = p o c 。v ，其中v 为质点 振速。四极子参数可表示为 彳= 芸l ，曰= 芝l ：。，c = 篆l 卸，。= 邕| 见：。 当进出口管的面积相等，可以得到传递损失的表达式如下： t l = 2 0 1 9 半l 2 5 计算实例及其分析 ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 4 0 ) 在进行消声器声学性能的数值仿真计算过程中，涉及大量模型的建立、 网格的划分、计算以及数据的分析处理工作，为了缩短建立模型的时间和 简化建模过程，本文计算消声器的传递损失是通过使用a n s y s 的前处理模 块和声学计算软件s y s n o i s e 来实现的。s y s n o i s e 是比利时l m s 公司的一个 大型的