基于气流反相对冲原理的排气消声器结构的设计.doc

基于气流反相对冲原理的排气消声器对冲结构的设计 设 计 者： 刘朋飞 指 导 老 师： 薛晶二零一四年六月十八日内蒙古农业大学机电工程学院基于气流反相对冲原理的排气消声器设计一 前言噪声污染主要来自于道路上行驶的汽车，而其根本源头是汽车发动机，拿柴油机为例，其噪声一般分为机械噪声，燃烧噪声和空气动力性噪声，排气噪声在发动机整机噪声中占主导地位，在单缸柴油机的噪声源中排在前3位的分别是排气噪声，齿轮室盖和油底壳，分别占总噪声功率的49%，12%和4%，排气噪声最为突出，约占整机声功率的一半。排气噪声主要是在排气开始时废气以脉冲形式从排气门间隙排除，并迅速从排气口进入大气，所形成的能量很高频率复杂的噪声。而随着柴油机开始在国内小型乘用车上的增多和普及，设计一种可以有效降低柴油机噪声的消声器就显得很有必要，这对降低噪声污染具有着重要的社会意义和价值。本文对之前有人提出过的基于气流反相对冲原理排气消声器进行了研究分析，并且设计一种可以实现让汽车尾气进行对冲消声的一种对冲的消声器结构。二 反相对冲结构的设计基于气流反相对冲原理降低气体流速，从而达到消声的目的。反相对冲消声单元，即可以让发动机排出的废气实现对冲的结构，从而使气体流速降低。本课题突出了几种反相对冲结构的设计与分析，设计1三维图如图1所示：图1图1所示的是笔者自己设计的一种对冲结构。发动机的尾气从C进入对冲结构，然后经中间隔板分隔被分到上下两支路，如图1中B，经过支路后在D处汇合并进行对冲，通过A流出第一对冲单元并紧接着进入第二对冲单元。第一，第二，第三对冲单元是同样的三个对冲单元串联在一起形成总对冲结构，气流每经过一次对冲，流速就降低一定值，并消耗气流部分能量，经过三次对冲后，气流的速度明显的降低，已知气流的再生噪声与气流流速的六次方成正比，当流速降下来后，再生噪声就会明显的降低，从而达到了消声的效果。笔者用fluent对所设计的结构进行了模拟实验，结果如图2所示：图2图2中左边是速度色条，红色表示速度最高，蓝色表示速度最低。由模拟的实验结果可以看出，气流在出口处管道的中间速度增大，而距离管道壁一定距离的范围内速度是减小的，但随着出口管长度的增加，发现速度也在呈降低趋势，这说明笔者所设计的对冲结构可以起到一定降低气流速度的效果。分析出口管道中间气流速度增加的可能的原因：1 气流在D处相遇并对冲时形成了涡流，使得气流速度增加；2 所设计的对冲结构尺寸上可能不合理，D处的对冲弯管可能太短；3 用fluent软件做模拟实验时所采用的实验参数误差比较大。三 针对设计1对冲结构的优化笔者根据前面提到设计1存在的缺点，对其进行了改良优化，设计2如图3所示：C图3图3所示的是对设计1进行改进后的对冲结构，与设计1相比，设计2的优点在于B结构。A是进气口，B是一个锥形放大结构，可以使从A进来的气体进行扩张，气体突然的扩张会在一定程度上减小气流的速度，即扩张本省就有降低气流速度的作用。气流经过B扩张后被锥形进气口弯管均分成上下两支路D，然后通过出口弯管E进行对冲，由F流出。设计2的另一个优点是出口弯管的长度比设计1要长，这样可以让上下两支路的气流进行充分的对冲，起到更好的对冲效果。由于时间原因，笔者不再对设计2进行fluent模拟实验。四 针对设计2对冲结构的优化设计2的对冲性能能否达到预期效果还有待实验检测，但是设计2的加工存在比较大的困难。鉴于此原因，笔者对设计2又一次进行了改进，设计3如图4所示： 图4图4是对设计2改进后的对冲结构，与设计2相同的是设计3中D支管的横截面积与进气管B的横截面积是相同的，即气流进入对冲结构后在被均分成两份时就进行了两次扩张，这会有效的降低气流速度。不同于设计2的地方是两个支管变成了圆柱形，而非设计2中的半圆柱形。圆柱形的设计加工要比半圆柱形容易，而且设计3在气流对冲之前的两次扩张比设计2的一次扩张效果更好，三段对冲单元串联时的接口通用性更好，同样由于时间原因，笔者没来得及对设计3进行fluent的模拟实验，在以后的研究学习中，笔者会对设计2和3进行模拟实验及实物实验。五 课题小结本课题根据内燃机传统消声器低频消声性能差、排气阻力大，功率损耗严重的特点，提出了一种反相对冲结构的新型消声器，其消声原理就是利用声波反相相抵消的作用来降低排气噪声中起主导因素的低频成分；利用气流对冲流速降低，从而减小气流再生噪声的原理，降低其他频带下的噪声。由于在结构上没有采取开小孔的穿孔板，再加上气流流速降低及气流从入口至出口通流面积均没有减小，因此排气阻力降低。建立了反相对冲消声原件的结构模型，并利用fluent软件对模型进行了模拟分析，为基于该原理的新型消声器的设计做了一些辅助帮助。六 本课题的创新点（1）针对传统内燃机排气消声器低频消声性能差，排气阻力大的问题，提出了反相对冲型结构的新型消声器，即利用进气从消声单元入口进入后，被分成两股大小相同、速度相反的气流，当两股气流在管道中心相遇时，空气质点互相碰撞而速度抵消。（2）利用声波的自身相抵消消除低频噪声；利用气流对冲流速降低，降低气流再生噪声及减小排气阻力。（3）基于气流反相对冲原理的消声单元在结构式采取锥面导流，且采用较大的圆形孔，这与传统消声单元中穿孔管或穿孔板所采用的小孔相比，本身气流阻力较低。（4）根据对冲的原理，提出几种对冲结构并对其中一种进行了模拟仿真，为结构的合理性作了基础验证。七 本课题的不足之处 由于课题难度大，时间紧只是提出几种对冲结构，并从理论上分析评价了反相对冲消声单元的阻力特性，只是用fluent进行了模拟分析，没有进行真实的相关实验验证，成为本设计的不足之处。八 本课题的展望本课题基于传统柴油机排气消声特点而设计的，解决了传统消