排气净化消声器声学性能数值仿真方法的研究

20112011(l．33)o．等 ·227于细小而且很密无法建立实体模型一般采用一维方法考虑载体的声学影响6－］。本文中推导载体的传递矩阵并将其应用在排气净化的三维模型中考虑载体的声学影响。应用混合方法计算了某款车排气净化消声器的插入损失并与试验结果进行了比较验证了该方法的可靠性和准确性证明了该方法可用于指导排气净化的设计。 的插入损失定义为安装前后排气尾管向外辐射的声功率级之差。可见插入损失不仅与本身结构相关还与其声源特性密切相关而声源由发动机提供故确定发动机声源特性成为计算插入损失的重要步骤。发动机声源强度声源阻抗的确定一般采用多负载方］。利用声电类比将发动机和排气管等效为电回路如图1所示图中ps和Zs分别为发动机的声源声压和声源阻抗pl和Vl分别为源截面处的声压和体积速度Zl为排气管负载阻抗。1发动机和排气管等效电根据图1可

的计算需要发动机在不同的负载情况下即不同排气管长度下的声压p和体积振速V，该结果可通过采用一维方法进行发动机仿真。应用GTPower软件根据发动机厂提供的各系统结构和发动机运行参数建立相应模块并组成发动机模型在发动机模型的排气管上应用多负载Multiload模块根据上述声源特性计算理论，GTPower软件可以根据设置的不同负载自动计算出发动机声源强度和声源阻抗， 有限元法是进行三维声学计算的有效方］应用非常广泛但难以处理像排气净化中的CR催化剂载体这种尺寸过小的孔隙结构。因此根据载体的结构特点采用传递矩阵和三维有限元相结合的方法对排气净化进行声学数值计算。 CR催化剂载体结构如图2所示载体内有大量互不相通的孔道用以承载催化剂涂层。载体内孔道细小等效直径一般在1m左右截止频率很高声波在孔道内以平面波形式。由于孔径细小排气流经孔道时的黏性效应明显声波过程中有明显的耗散现象所以载体本身也具有一定的消声作用。2SCR载体结在载体的每个细孔中声波按照考虑热黏性效p=

—V

(

应的准平面波理论［6，9］所以每个细孔进口和 l 式中ps和Zs为未知量求解时需要两个方程

p2

(p'l=ps－V'l (联立式1)和式2)p'l－

ρ 1Zs

Vl－p'lVl－plV'

( h++h h－ejK+kl+h+e－jK ejK+kl－ejKps

V－

(

h+h－ejK+

－+e－jK

+jK+

—e－jK －h h +由上述可知发动机声源强度和声源阻 (·228 汽车工 2011年(第33卷)第3式中:j为虚部单位;u为质点振速;k为理想介质数kωcρc为特性阻抗，ρ为密度，c为声速l

A=pi/po|VoB=p/V载体长度;K±=K/(1±KMa)，h±=K{1+［(1

po ( C=Vi/po|VoD=V/Vj)/s］2(1±K0Ma)}，Ma为气流马赫数;D=V/V opp1－p槡槡

sσ2

式中:下标i和o分别表 节点径γ为介质比热比μ为介质黏性系数，κ为介质热传导系数，cp为介质定压比热。该传递矩阵体现了载体每个细孔之间的声学关系考虑到载体的开孔率φ，细孔两侧之间的10 0

式(9)对评价声学特性非常重要传递矩阵中的四极参数须通过两次有限元计算得到两次计算时的边界条件有所区别如式(10)所示。 插入损失计0

1/

(

根据插入损失定义应用软件GT由于载体中各个细孔相互独立声波互不影响所以式(7)也用于表示整个载体的两侧面之在三维数值建模过程中无法建立实际的载体模型采用设置阻抗边界条件的方法考虑载体的声学影响。根据式(7)传递矩阵推导出载体两侧进、出口面之间的阻抗关系为

建立插入损失计算的模型如图3所示。将由发动机模型得到的声源强度和声源阻抗施加到声源模块由黑箱模块代替三维数值计算得到的四极参数施加到黑箱模块。在各工况下分别计算和替换管情况下的管口辐射声压级由式(11)计算得到各工况下的插入损失IL。ρcu

Tc，21－1

=

—

( 为了更准确地体现声波在载体中的特点，式8的阻抗关系边界条件施加在载体两侧面时，须2. 有限元数值计算的基本步骤为［5］:(1)建立

IL=

图3插入损失计算模—

(限元离散模型选择单元形函数;(2)施加边界 式中Lp1和Lp2分别为安 件;(3)根据控制方程单元形函数和边界条件形成有限元代数方程组4)求解方程组和后处理。现有的三维声学数值软件SYSNOISE可方便地进行有限对于排气净化应根据结构建三维的有限元离散模型(不包括载体结构并将

体阻抗关系矩阵作为边界条件施加在载体进出口所处位置的两个面(保证两面的节点一一对应即可对进行三维有限元数值计算。的声学传递算例与分利用混合方法对某款车排气净化

进行声学数值仿真。该发动机为排量12L的六缸增压柴油机，定转速为2000rmin，定功率为300kW。结构如图4所示结构尺寸为0.6m宽0.4m高0.6m排气从 =

( 胀腔结构， 过 出

最 口利用GTPower建立发动机仿真模型不同工20112011(l．33)o．等 ·229图 结下的转矩功率的仿真和台架试验结果对比如图5所示两种结果之间的误差不超过5%验证了发动5发动机模型验插入损失采用传声器和Pulse噪声分析系统进量按照标准传声器安装在尾管外0.5m偏离中心45°的位置。不同转速下分别测量替换管和情况下尾管辐射的A计权总声压级，在该发动机模型的基础上依照上面介绍的方法计算该的插入损失计算结果和试验结果对比如图6所示。结果显示仿真结果与试验结果吻合良好验证了本文方法的准确性;在低转速工况下仿真结果稍低于试验结果在高转速工况下仿真结果稍高于试验结果除12001400和1800r/n转速外误差都在1B之内上述3个工况下的插入损差在2B左右。两种结果之间的误差可解释为发动机仿真模型建立过程中的偏差导致声源特性的计算误差同时气流以较高速度通过排气系统时会产生气流噪声而本文中方法无法准确地考

图6插入损失结果比图6中结果显示该款的插入损失随着转速增加而降低低转速时插入损失在22dB(A)左右转速超1000rmin后插入损失开始降低额定转速下插入损失为13dB(A)。利用数值计算得到的四极参数给出频域内的传递损失［4－5］7所示。由图可见在低频范围内消声器的传递损失较低在发动机基频附近的传递损失不超14dB，频率超200Hz后传递损失有所增图7额定工况温度下的传递损结合的传递损失和结构分析该起主要消声作用的结构只有穿孔管附近的膨胀结构和出口膨胀腔结构催化剂载体本身虽有消声作用，但效果有限。同时该在低频范围消声性能不高而发动机噪声的能量主要集中在基频及其倍频附近所以不利于基频噪声的控制。根据上述计算和分析发现排气净化由于催化剂载体的存在损失了较大的消声容积在剩余的消声容积下较难形成理想的膨胀消声结构从而不利于排气噪声的控制。可见排气净化的优化设计在以后的工作中非常重要而文中方法结·230 汽车工 2011年(第33卷)第3以实现排气净化 的三维声学数值仿真;采用一维和三维混合方法可以实现发动机和排气净化消声器的耦合仿真计算;通过排气净化算例验证了本文仿真方法的可靠性和准确性。文中的研究为排气净化的发动机匹配设计提供了方法，对以后的优化设计具有重要的指导意义。［1］国家环境保护．GB1495 2002汽车加速行驶车外噪声限．2．［2］金国栋．基于GTPower软件的内燃机设计与分析方法．汽车技术，20037)70． ．8． 陆森林刘红光．内燃机排气性能的三维有限元计算

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