吳超群 郭啟亮 劉曉宇 宋志翔
(武漢理工大學(xué))
汽車排氣消聲器是通過降低排氣壓力的脈動來消除噪聲的一種裝置,而消聲器內(nèi)部壓力對消聲器性能有重要影響[1]。內(nèi)燃機(jī)各氣缸周期性間斷地排出廢氣會在消聲器內(nèi)部形成不均勻的壓力脈沖,這是導(dǎo)致排氣系統(tǒng)振動和產(chǎn)生輻射噪聲的主要原因之一。隨著排氣系統(tǒng)不斷輕量化,消聲器輻射噪聲的影響也越來越大,引起消費(fèi)者和研究人員的關(guān)注。為了更有效地預(yù)測消聲器的輻射噪聲,需要了解消聲器內(nèi)部的壓力特征。許多學(xué)者[2,3]研究過消聲器內(nèi)部的壓力場,但很少有將壓力脈沖與輻射噪聲聯(lián)系起來的。目前對于消聲器輻射噪聲的研究還較少,僅有部分文獻(xiàn)研究了發(fā)動機(jī)的輻射噪聲[4,5]。本文基于GT-Power軟件包研究消聲器內(nèi)部壓力的預(yù)測方法,通過仿真分析預(yù)測消聲器內(nèi)部壓力時序值,并使用Matlab軟件將預(yù)測壓力時序值進(jìn)行頻譜分析,得到壓力頻域值,最后將預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。
為簡化問題而采用一維計(jì)算流體力學(xué)方法來計(jì)算流體問題,整個臺架系統(tǒng)(包括發(fā)動機(jī))被離散為許多小體積單元,各體積單元有相應(yīng)的邊界條件約束在一起,假設(shè)每個體積單元內(nèi)部的標(biāo)量參數(shù)(壓力、溫度、質(zhì)量、密度、內(nèi)能、熵)相同,邊界條件由一組矢量(質(zhì)量流、速度等)進(jìn)行描述。流體模型可通過公式(1)連續(xù)性方程、公式(2)能力守恒定律和公式(3)動量守恒定律對壓力、質(zhì)量流、溫度進(jìn)行求解。排氣系統(tǒng)中廢氣溫度隨著離發(fā)動機(jī)的距離發(fā)生急劇變化,因此還需要考慮系統(tǒng)的焓守恒,即公式(4)。
式中,boundaries為離散單元的邊界;m˙為邊界質(zhì)量流;m為質(zhì)量;V為體積;p為壓力;ρ為氣體密度;A為管道截面積;As為熱傳導(dǎo)表面積;e為總內(nèi)能;H為焓;h為熱交換系數(shù);Tgas為氣體溫度;Twall為壁溫;u為流速;Cf為摩擦因數(shù);Cp為壓力損失系數(shù);D為等效直徑;dx為單元長度;dp為離散長度。
采用GT-Power建立的發(fā)動機(jī)模型共分為4部分,即進(jìn)氣模塊、氣缸模塊、曲軸模塊和排氣模塊。根據(jù)發(fā)動機(jī)的實(shí)際工況,對進(jìn)氣模塊、氣缸模塊和曲軸模塊進(jìn)行調(diào)校,使其更適用于對工況進(jìn)行模擬,以提高對消聲器內(nèi)部壓力預(yù)測的準(zhǔn)確度。發(fā)動機(jī)模型的計(jì)算精度很大程度上依賴于發(fā)動機(jī)的實(shí)際參數(shù)及后期標(biāo)定,為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,本文采用文獻(xiàn)[6]中已經(jīng)標(biāo)定好的發(fā)動機(jī)模型來進(jìn)行計(jì)算。
消聲器三維模型如圖1所示。這是典型的3腔消聲器,發(fā)動機(jī)排出的廢氣由進(jìn)氣管進(jìn)入消聲器,由于進(jìn)氣緩沖末端是封閉的,氣體只能通過小孔進(jìn)入第2腔,然后經(jīng)中間緩沖管流入第1腔,再通過出氣管流出消聲器。在第2腔和第3腔部分出氣管的表層有吸聲材料。消聲器結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如表1所列,其中排孔數(shù)目為300個。
表1 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù) mm
圖2為消聲器的計(jì)算模型,該模型是將消聲器的三維模型離散后所得的。
消聲器試驗(yàn)臺由發(fā)動機(jī)、發(fā)動機(jī)控制器(包括功率計(jì))、溫度傳感器、壓力傳感器、工業(yè)計(jì)算機(jī)(包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))等部分構(gòu)成。本試驗(yàn)采用的發(fā)動機(jī)為文獻(xiàn)[6]中提到的1.5L 4缸直列發(fā)動機(jī),通過可吸收式的功率計(jì)來模擬路面負(fù)載,發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由發(fā)動機(jī)控制器進(jìn)行控制,穩(wěn)定在4000 r/min。
在消聲器的3個腔里分別裝有1個壓力傳感器,壓力傳感器為PDCR4020高頻響壓力傳感器。傳感器信號由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中NI數(shù)據(jù)采集卡采集后,被工業(yè)計(jì)算機(jī)記錄,然后在工業(yè)計(jì)算機(jī)中使用Matlab軟件程序?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成壓力時序圖。最后在Matlab軟件中編寫相關(guān)程序,對采集的數(shù)據(jù)采用離散傅里葉變換(DFT)方法,進(jìn)行頻譜分析,從而得到壓力頻譜圖。
排氣系統(tǒng)中合理安裝6個某品牌溫度傳感器,以測量排氣系統(tǒng)管壁溫度,為排氣系統(tǒng)模型的標(biāo)定做準(zhǔn)備。為了減少發(fā)動機(jī)振動對消聲器內(nèi)部壓力的影響,同時避免外界干擾,將消聲器固定在單獨(dú)的封閉空間(全無音室)里進(jìn)行試驗(yàn)。
圖3~圖5分別是消聲器第1腔~第3腔的仿真和試驗(yàn)壓力時序?qū)Ρ葓D。仿真值是在GT-power軟件計(jì)算嚴(yán)格收斂后,采取一個周期的計(jì)算值;試驗(yàn)值是發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速在4000 r/min處穩(wěn)定10 min后,測取1個周期的試驗(yàn)值。
由圖3~圖5可以看出,仿真值的周期和趨勢與試驗(yàn)值完全相同,兩者在峰值上的吻合程度也很好,從而驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。但仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間還存在一些微小差別,其主要由以下兩個原因造成:仿真計(jì)算過程中發(fā)動機(jī)的工況都在理想狀態(tài)下,比如進(jìn)氣量、噴油量和燃燒率等都是恒定的,而且沒有考慮機(jī)械振動以及外界干擾;且GT-Power計(jì)算軟件是以一維平面波為基礎(chǔ)的,具有一定的局限性,而實(shí)際氣流流動更為復(fù)雜。
從圖3~圖5中還可以看出,圖5的仿真值與試驗(yàn)值的吻合程度高于圖3和圖4。這是因?yàn)榈?腔為共振腔,經(jīng)過該腔的氣流相對較少,所以壓力波動較小,仿真值更接近試驗(yàn)值;第1腔和第2腔都有大量氣流經(jīng)過,而且流動方向有變化,容易產(chǎn)生高頻壓力波動,因此圖3和圖4中試驗(yàn)值有較多波動。
消聲器內(nèi)部壓力的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,在趨勢上完全一致,僅在數(shù)值上存在微小差別。因此,消聲器內(nèi)部壓力的仿真值是比較準(zhǔn)確的,具有較大的參考價值。
在對噪聲的分布研究中,頻譜分析是最基本的方法之一。頻譜能夠清晰地表示出一定頻帶范圍內(nèi)聲壓的分布情況,從而了解噪聲的成分和性質(zhì)。頻譜分析有助于了解聲源的性質(zhì)和識別主要噪聲源,為噪聲控制提供依據(jù)。
本文使用Matlab軟件對預(yù)測壓力時序值和試驗(yàn)壓力時序值(即試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù))采用DFT方法進(jìn)行頻譜分析,得到相應(yīng)的仿真壓力頻譜圖和試驗(yàn)壓力頻譜圖的對比如圖6~圖8所示。
從圖6~圖8中可以看出,3個腔的仿真值和試驗(yàn)值在低頻上幅值和趨勢非常吻合,但在高頻上差別較大;第3腔仿真值和試驗(yàn)值的吻合優(yōu)于第1腔和第2腔,這主要是因?yàn)榈?腔和第2腔中會出現(xiàn)亂流,產(chǎn)生高頻壓力波動,但是GT-Power是在假設(shè)不會產(chǎn)生亂流的情況下進(jìn)行計(jì)算的,因此仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在高頻范圍內(nèi)的吻合不是特別理想;由于第3腔內(nèi)的亂流較少,高頻壓力波動小,所以仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更接近;除了仿真計(jì)算的理想條件外,GT-Power基于一維理論進(jìn)行計(jì)算,也是高頻范圍計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確的原因之一。
由于結(jié)構(gòu)阻尼的存在,高頻壓力激勵很容易被衰減,從而導(dǎo)致低頻壓力波動成為主要的激勵源,而仿真結(jié)果能預(yù)測出主要的激勵源,從而可為研究消聲器輻射噪聲提供參考。
a.建立消聲器模型和發(fā)動機(jī)模型,利用GTPower軟件得到了消聲器內(nèi)部壓力時序圖。與試驗(yàn)結(jié)果對比,驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性和有效性。
b.對仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析,并比較2者頻譜圖,可知仿真結(jié)果頻譜圖能夠正確反映出低頻主激勵源的頻率和噪聲。
1 李以農(nóng),路明,鄭蕾,等.汽車排氣消聲器內(nèi)部流場及溫度場的數(shù)值計(jì)算.重慶大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2008,31(10):1094~1097,1102.
2 杜潤,柯堅(jiān),于蘭英,等.液壓共振消聲器階躍壓力響應(yīng)及內(nèi)部流場分析.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2010,29(2):141~145.
3 王偉,李國祥,倪計(jì)民,等.不同結(jié)構(gòu)消聲器內(nèi)部流場的比較.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2007,25(3):277~280.
4 賈維新,郝志勇,楊金才,等.發(fā)動機(jī)油底殼輻射噪聲預(yù)測方法的研究.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2005,23(3):269~273.
5 劉月輝,郝志勇,付魯華,等.車用發(fā)動機(jī)表面輻射噪聲的研究.汽車工程,2002,24(3):213~216.
6 Takashi Yasuda,Wu Chaoqun,NoritoshiNakagawa,et al.Predictions and experimental studies of the tail pipe noise of an automotivemuffler using a one dimensional CFD model.Applied Acoustics,2010,71(8):701~707.