劉 晨，季振林，張國輝

(哈爾濱工程大學(xué)動力與能源工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

前言

GT-POWER軟件可以快速模擬發(fā)動機(jī)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的耦合模型，適用于多個(gè)方案的比較分析，目前廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中使用GT-POWER軟件建立了發(fā)動機(jī)和進(jìn)排氣系統(tǒng)的耦合模型，根據(jù)計(jì)算得到的進(jìn)、排氣噪聲頻譜特性進(jìn)行相應(yīng)的消聲器設(shè)計(jì)，通過對消聲器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其加速行駛車外噪聲滿足法規(guī)限值。文獻(xiàn)[3]中使用GT-POWER軟件計(jì)算了直通穿孔管和三通穿孔管消聲器靜態(tài)時(shí)的傳遞損失，在平面波范圍內(nèi)預(yù)測值和測量值吻合較好，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析了氣流流速和溫度對穿孔管消聲器聲學(xué)性能的影響。文獻(xiàn)[4]中使用GT-POWER軟件建立了汽油機(jī)及其排氣系統(tǒng)的耦合模型,模擬分析了主、副消聲器的結(jié)構(gòu)形式對排氣噪聲和發(fā)動機(jī)性能的影響，根據(jù)模擬結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)闹?、副消聲器結(jié)構(gòu)形式。文獻(xiàn)[5]在靜態(tài)介質(zhì)中使用GT-POWER軟件和Sysnoise軟件對某車型空濾器和前、后置消聲器的傳遞損失分別進(jìn)行了一維和三維仿真分析，并與測試結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，三維軟件的計(jì)算結(jié)果更接近測試值，而一維軟件在0～600Hz范圍內(nèi)較為準(zhǔn)確。由文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[3]也可知，室溫?zé)o流條件下GT-POWER軟件在平面波范圍內(nèi)可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測消聲器的聲衰減性能。

穿孔管消聲器具有良好的消聲性能和較低的阻力損失，已被廣泛應(yīng)用。盡管GT-POWER軟件已被用于預(yù)測穿孔管消聲器的聲學(xué)性能,然而這些工作并沒有詳細(xì)研究該軟件的計(jì)算精度。本文中在靜態(tài)和流動介質(zhì)條件下，分別使用GT-POWER軟件和三維時(shí)域CFD法計(jì)算橫流穿孔管消聲器和直通穿孔管消聲器的傳遞損失，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證兩種時(shí)域方法的計(jì)算精度和適用范圍。

1 傳遞損失的時(shí)域預(yù)測方法

GT-POWER軟件是基于一維非線性流體動力學(xué)模型，以時(shí)域方法為理論基礎(chǔ)，使用有限體積法求解連續(xù)性方程、動量方程和能量方程。消聲器傳遞損失的計(jì)算模型如圖1所示，計(jì)算過程如下：以一個(gè)產(chǎn)生隨機(jī)白噪聲的揚(yáng)聲器作為聲源，同時(shí)可引入氣流流動。在消聲器的進(jìn)出口各安裝一對傳聲器，測量上下游的時(shí)域壓力信號，信號中的波動值為聲壓信號?；谖墨I(xiàn)[6]中提出的傳遞函數(shù)法，對時(shí)域聲壓信號進(jìn)行聲波分解和傅里葉分析，得到頻域入射和透射聲壓信號，代入相應(yīng)的公式即可計(jì)算出消聲器的傳遞損失[7]。

三維時(shí)域CFD法預(yù)測消聲器傳遞損失的計(jì)算模型如圖2所示，計(jì)算的基本過程為：在消聲器進(jìn)口處施加脈沖信號與不施加任何信號的兩種情況下，通過非定常計(jì)算分別得到消聲器上下游監(jiān)視點(diǎn)的時(shí)域壓力值，同一監(jiān)視點(diǎn)兩個(gè)計(jì)算結(jié)果之差就是脈沖信號和反射信號；然后去除上下游壓力監(jiān)視點(diǎn)中由于反射形成的干擾信號，得到單獨(dú)的入射壓力信號和透射壓力信號；使用快速傅里葉變換將時(shí)域聲壓信號轉(zhuǎn)換到頻域，代入式(1)中計(jì)算出消聲器的傳遞損失。

(1)

式中：TL為消聲器傳遞損失；Ai為消聲器進(jìn)口的橫截面積；Ao為消聲器出口的橫截面積；pin為消聲器進(jìn)口處的入射聲壓；ptr為無反射末端條件下，消聲器出口處的透射聲壓。

本文中使用Fluent軟件，選擇分離隱式求解器，進(jìn)行非定常計(jì)算。采用Realizablek-ε雙方程模型對湍流流動進(jìn)行數(shù)值模擬。壓力、密度、動量、湍動能、湍流耗散率和能量均采用二階精度離散格式。壓力-速度耦合方式選用PISO算法。

工作介質(zhì)為空氣，密度滿足理想氣體定律。邊界條件設(shè)置如下：

(1) 進(jìn)口邊界條件為質(zhì)量進(jìn)口，將脈沖信號疊加在恒定的質(zhì)量流量基礎(chǔ)上，脈沖信號是頻率為4kHz正弦波的上半個(gè)周期；

(2) 出口邊界設(shè)定為壓力出口，出口壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

(3) 壁面處設(shè)置為絕熱無滑移邊界條件。

2 結(jié)果和分析

為驗(yàn)證GT-POWER軟件和三維時(shí)域CFD法計(jì)算穿孔管消聲器聲學(xué)性能的精度，以文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[10]中有傳遞損失實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的橫流穿孔管消聲器和直通穿孔管消聲器為例進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 橫流穿孔管消聲器

圖3為橫流穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)圖，其具體尺寸為：穿孔管直徑d=49.3mm，膨脹腔直徑D=101.6mm，左右兩個(gè)腔的長度l1=l2=128.6mm，進(jìn)出口管壁厚tw=0.81mm，兩段管各均勻布置160個(gè)小孔，穿孔直徑dh=2.49mm，穿孔率σ=3.9%。

圖4為氣流流速v=0、氣流溫度T=293K時(shí)橫流穿孔管消聲器傳遞損失的三維時(shí)域CFD法計(jì)算、GT-POWER軟件計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[8]的比較。由圖可見：在1 300Hz以下GT-POWER軟件的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合很好；在1 300Hz以上GT-POWER軟件計(jì)算結(jié)果偏離實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，從而限制了該軟件在非平面波范圍內(nèi)的應(yīng)用；在所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)，三維時(shí)域CFD法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合很好。

圖5為v=17m/s、T=347K時(shí)，橫流穿孔管消聲器傳遞損失的三維時(shí)域CFD法計(jì)算、GT-POWER軟件計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[8]的比較。由圖可見：在考慮的頻率范圍內(nèi)，GT-POWER軟件的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差很大，這是因?yàn)闅饬魍ㄟ^橫流穿孔管消聲器時(shí)，伴隨小孔射流和流動方向的改變，流動過程比較復(fù)雜，基于一維理論的GT-POWER軟件不能精確計(jì)算消聲器的壓力分布，因而影響聲壓值的準(zhǔn)確性。由圖還可看出，三維時(shí)域CFD法的計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果基本吻合，存在偏差的原因可以歸結(jié)為：(1)在Fluent計(jì)算中沒有考慮流體和壁面之間的熱傳導(dǎo)；(2)出于計(jì)算時(shí)間的考慮，在模擬計(jì)算時(shí)沒有對壓力監(jiān)測點(diǎn)處記錄的時(shí)域信號進(jìn)行平均處理，使得信號中可能包含某些噪聲成分；(3)實(shí)驗(yàn)中也可能存在測量誤差。

2.2 直通穿孔管消聲器

無流和有流條件下分別使用文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]中的直通穿孔管消聲器進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)如圖6所示。無流算例的消聲器S1具體尺寸為：膨脹腔直徑D=116.4mm，膨脹腔長度l=257.2mm，穿孔管內(nèi)徑d=49mm，穿孔管壁厚tw=0.9mm，穿孔直徑dh=4.98mm，穿孔率σ=8.4%。

圖7比較了氣流馬赫數(shù)M=0、氣流溫度T=293K時(shí)直通穿孔管消聲器S1傳遞損失的三維時(shí)域CFD法計(jì)算、GT-POWER軟件計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果[9]。由圖可見：三維時(shí)域CFD法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合很好；而GT-POWER軟件雖可預(yù)測出傳遞損失的變化趨勢，但曲線的幅值和峰值頻率都有一定的偏差。

有流算例直通穿孔管消聲器S2的具體尺寸為：膨脹腔直徑D=110mm，膨脹腔長度l=200mm，穿孔管內(nèi)徑d=32mm，穿孔管壁厚tw=2mm，穿孔直徑dh=4mm，穿孔率σ=4.7%。

圖8為氣流馬赫數(shù)M=0.1、氣流溫度T=288K時(shí)直通穿孔管消聲器S2傳遞損失的三維時(shí)域CFD法計(jì)算、GT-POWER軟件計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[10]的比較。由圖可見，在考慮的頻率范圍內(nèi)，三維時(shí)域法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好，個(gè)別頻率處存在的偏差可以歸結(jié)為：(1)實(shí)驗(yàn)中采用多傳感器測量流動介質(zhì)中的聲傳播，可能存在誤差；(2)在流動介質(zhì)中測量消聲器的傳遞損失時(shí)，須進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，并對傳聲器采集的信號在時(shí)間域或頻率域進(jìn)行平均處理，以去掉信號中的噪聲成分，而本文中出于對計(jì)算時(shí)間的考慮，在模擬計(jì)算時(shí)未對壓力監(jiān)測點(diǎn)處記錄的信號進(jìn)行平均處理。由圖8還可以看出，在平面波范圍內(nèi)GT-POWER軟件的計(jì)算結(jié)果基本可以反映出消聲器的聲衰減特性，而頻率高于1 700Hz時(shí)，軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大。

3 結(jié)論

(1) 在平面波范圍內(nèi)，GT-POWER軟件可以較好地預(yù)測穿孔管消聲器的聲衰減特性。隨著頻率的

升高，GT-POWER軟件的預(yù)測結(jié)果偏離實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，表明該軟件不適合在非平面波范圍內(nèi)預(yù)測消聲器的聲學(xué)性能。當(dāng)消聲器內(nèi)部存在復(fù)雜氣流流動時(shí)，GT-POWER軟件的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較大。

(2) 使用三維時(shí)域CFD法計(jì)算了無流和有流條件下橫流穿孔管消聲器和直通穿孔管消聲器的傳遞損失，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，該方法可以比較精確地預(yù)測穿孔管消聲器的聲學(xué)性能。

(3) GT-POWER軟件可以快速地預(yù)測消聲器的聲學(xué)性能，適用于多個(gè)方案的比較分析，指導(dǎo)消聲器的初步設(shè)計(jì)。而三維時(shí)域CFD法對復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器和氣流流動可以獲得較高的計(jì)算精度，適用于最終方案的確定。

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