游紅武,王志剛,李明輝,沈曉慶,沈蘇藝,相曙鋒,翁澤宇(.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 3004；.杭叉集團股份有限公司，浙江 杭州 3305)

內(nèi)燃叉車排氣消聲器內(nèi)流場及溫度場數(shù)值分析

游紅武1,王志剛1,李明輝2,沈曉慶2,沈蘇藝2,相曙鋒2,翁澤宇1
(1.浙江工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310014；2.杭叉集團股份有限公司，浙江 杭州 311305)

在排氣消聲器聲學(xué)性能的分析中，為了計入氣流流速和溫度的影響，以某內(nèi)燃叉車排氣消聲器為研究對象，基于流場分析理論，利用fluent軟件對其內(nèi)部復(fù)雜流場及溫度場進行了數(shù)值模擬，分析得出消聲器內(nèi)部的速度場和溫度場.以消聲器內(nèi)部溫度場計算結(jié)果為基礎(chǔ)，采用Ansys穩(wěn)態(tài)熱分析模塊，計算得到排氣消聲器殼體的穩(wěn)態(tài)溫度場，并進行消聲器殼體溫度測量試驗.研究結(jié)果表明：內(nèi)燃叉車排氣消聲器殼體穩(wěn)態(tài)溫度場的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果在消聲器殼體上的位置變化趨勢基本吻合，說明了仿真得到的排氣消聲器殼體溫度場可信，排氣消聲器內(nèi)部流場及溫度場仿真分析正確.

內(nèi)燃叉車；排氣消聲器；流場；溫度場；數(shù)值仿真

發(fā)動機的排氣噪聲是內(nèi)燃車輛的主要噪聲源，降低排氣噪聲最常用、最有效的方法是在發(fā)動機排氣管道系統(tǒng)中安裝排氣消聲器.排氣消聲器能夠有效阻止或衰減聲音的傳播，而允許發(fā)動機排出的氣流的通過.消聲器對不同的氣流流速和溫度，其內(nèi)部聲波的傳播和衰減規(guī)律，穿孔結(jié)構(gòu)聲阻抗，介質(zhì)的流動屬性及聲速會發(fā)生改變，從而導(dǎo)致消聲器的消聲特性會有所不同[1].對于內(nèi)燃叉車，尤其是在高速工況下，排氣消聲器通過的是高速高溫氣流，在分析其消聲性能時，就需要計入氣流流速和溫度的影響.在考慮氣流和溫度影響，對消聲器的聲學(xué)性能進行分析時，通常將其內(nèi)部流場及溫度場簡化為恒流和恒溫場，抑或是簡化為均勻流場、線性梯度溫度場.殷健[2]在對某汽車排氣消聲器的聲學(xué)性能進行研究時，將消聲器內(nèi)部氣流的流速和溫度視為平均流速和恒定溫度.袁啟慧[3]對抗性消聲器的消聲性能進行仿真分析時，將消聲器內(nèi)部流場和溫度場簡化為恒流和恒溫場.徐貝貝等[4-5]在分析氣流對同軸穿孔管抗性消聲器消聲性能的影響時，將消聲器內(nèi)部流場簡化為均勻流場.董紅亮等[6]在研究溫度對某內(nèi)燃機排氣消聲器聲學(xué)性能的影響時，將消聲器內(nèi)部溫度場視為線性溫度梯度.然而，排氣消聲器結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性，內(nèi)部流動狀況和溫度分布比較復(fù)雜.因此，將消聲器內(nèi)部復(fù)雜流場和溫度場進行簡單地簡化處理，會對消聲器聲學(xué)性能的分析帶來很大的誤差.

目前，計算機數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，為研究消聲器內(nèi)流場和溫度場創(chuàng)造了條件.采用fluent軟件對排氣消聲器最高速工況下內(nèi)部的流場及溫度場進行了仿真計算，并以消聲器內(nèi)部溫度場分析結(jié)果為基礎(chǔ)，仿真計算了排氣消聲器殼體的穩(wěn)態(tài)溫度場，對比消聲器殼體溫度試驗結(jié)果，對排氣消聲器內(nèi)部流場及溫度場仿真計算的正確性進行了驗證.

1 內(nèi)燃叉車排氣消聲器結(jié)構(gòu)

某內(nèi)燃叉車排氣消聲器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該排氣消聲器有三個腔室，并通過進氣管、過渡管和排氣管實現(xiàn)氣體的流通.發(fā)動機排出的廢氣從左側(cè)進氣口進入消聲器的進氣管(其中進氣管末端端口封閉)，首先經(jīng)過一個由進氣穿孔管和第二腔構(gòu)成的共振消聲結(jié)構(gòu)，再進入小孔消聲結(jié)構(gòu)，氣流通過小孔消聲結(jié)構(gòu)擴散后進入到第三腔中，第三腔中的氣體從過渡管的右側(cè)進入到由中間過渡穿孔管和第二腔形成的共振消聲結(jié)構(gòu)，隨后氣流進入第一腔中，經(jīng)過第一腔后的氣體從排氣管的左側(cè)進入排氣管，最終進入外界大氣.

1—進氣口；2—進氣管；3—共振消聲結(jié)構(gòu)；4—小孔消聲結(jié)構(gòu)；5—過渡管；6—排氣管；7—第三腔；8—第二腔；9—第一腔圖1 內(nèi)燃叉車排氣消聲器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of internal combustion forklift exhaust muffler

2 排氣消聲器內(nèi)流場分析

2.1 流場分析理論

排氣消聲器內(nèi)部氣流的流動狀態(tài)可視為湍流，具有不可壓縮性[7].對于湍流流動，仿真分析主要是基于連續(xù)性方程、雷諾時均N—S方程和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流方程來實現(xiàn)[8].

連續(xù)性方程為

(1)

雷諾時均N—S方程為

(2)

標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流方程包括反映湍流脈動量對流場影響的湍流動能方程和湍流應(yīng)力方程，其表達式分別為

(3)

(4)

式中：ui，uj分別為沿i和j方向的速度分量；fi為沿i方向的質(zhì)量分量；P為壓力，Pa；ρ為空氣密度；μ為運動黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)；k為湍動能；ε為湍動能耗散率；C1ε和C2ε分別為經(jīng)驗常數(shù)；σk和σε分別為湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù).根據(jù)Launder等推薦值[9]，C1ε，C2ε，σk，σε仿真計算的取值分別為1.44，1.92，1.0，1.3.

2.2 仿真計算

以fluent軟件作為計算工具，選擇基于壓力的分離隱式求解器進行定常計算，采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε方程湍流模型對消聲器內(nèi)部的流體流動進行數(shù)值模擬.工作介質(zhì)為空氣，并視為不可壓縮性流體.消聲器壁面材料為Q235a碳素鋼，壁面厚度為1 mm.邊界條件設(shè)置如下：

1) 消聲器入口設(shè)置為速度邊界條件，氣流速度為100 m/s，進氣溫度為503 K.

2) 消聲器出口直接與大氣相通，為此將環(huán)境壓力設(shè)置為出口邊界條件，出口溫度設(shè)為300 K.

3) 消聲器壁面設(shè)為靜止、無滑移壁面，與周圍氣體的對流換熱系數(shù)設(shè)置為30 W/(m2·℃)[10]，壁面粗糙度為0.5 μm.

2.3 計算結(jié)果分析

為了能夠清楚說明排氣消聲器中流體的速度和溫度分布，在排氣消聲器上取了兩個截面：一個是進氣管和過渡管軸線所在的平面，簡稱截面Ⅰ；另一個是過渡管和排氣管軸線所在的平面，簡稱截面Ⅱ，如圖1所示.圖2，3分別表示排氣消聲器在截面Ⅰ，Ⅱ上的氣流速度和溫度云圖.

圖2 排氣消聲器內(nèi)部速度云圖Fig.2 The velocity contour inside exhaust muffler

由圖2(a)可以看出：氣流以100 m/s左右的速度由消聲器左側(cè)入口進入進氣管，由于管上穿孔和管末端封閉，一部分氣體從離入口最遠的幾排小孔平均以111 m/s速度沿徑向流出到第三膨脹腔內(nèi).第三腔中的這部分氣體經(jīng)過復(fù)雜運動后流進中間過渡管.另一部分氣體直接流到封閉端面，并因端面的阻力作用形成了回流，回流的氣體又從離封閉端面較遠的小孔以150 m/s速度流入第二腔內(nèi)，然后撞擊壁面及隔板后流進中間過渡管上的小孔中.由圖2(b)可以看出：從進氣管內(nèi)流出的兩部分氣體在中間過渡管內(nèi)交匯，并使得中間過渡管的出口處氣流速度達到120 m/s左右.從中間過渡管出來的氣體在第一腔內(nèi)沿著前端面板和側(cè)壁分散流入排氣管，排氣管入口處的流速分布不太均勻，高的一側(cè)達到了103 m/s，低的一側(cè)則只有59 m/s，不過離入口越遠速度越趨均勻，最終氣流以93 m/s的速度進入大氣.

由圖3可以看出：消聲器內(nèi)各個區(qū)域溫度變化較大，進氣管內(nèi)的溫度高達502.9 K，隨著氣體的流動，溫度逐漸減小，并出現(xiàn)較大的溫度梯度.由圖3(a)可以看出：第三腔中的溫度由進氣管流出時的501 K降到489 K.過渡管內(nèi)的氣流溫度在軸向上溫度變化不是很大，只有2 ℃左右，在徑向從穿孔開始位置到出口處溫度變化幅度較大，達到11 ℃左右.由圖3(b)可以看出：第一腔內(nèi)溫度梯度變化較大，在中間過渡管的出口區(qū)域溫度稍高，在494 K左右，在中間過渡管的出口與排氣管入口之間靠近中間隔板區(qū)域溫度最低到483 K.此外，第二腔內(nèi)由于氣流量少，溫度變化梯度只有4 ℃；排氣管內(nèi)的溫度基本保持一致，在489 K左右.

圖3 排氣消聲器內(nèi)部溫度云圖Fig.3 The temperature contour inside exhaust muffler

3 排氣消聲器殼體穩(wěn)態(tài)溫度場分析

3.1 穩(wěn)態(tài)的傳熱分析

排氣消聲器殼體結(jié)構(gòu)的傳熱可視為常物性無熱源的穩(wěn)態(tài)傳熱過程[11]，仿真計算所依據(jù)的導(dǎo)熱微分方程為

(5)

式中：kx，ky，kz分別為固體結(jié)構(gòu)沿著x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T′為固體結(jié)構(gòu)的溫度.

穩(wěn)態(tài)傳熱仿真分析的邊界條件通常分為三類，它們的控制方程分別為

(6)

(7)

(8)

3.2 殼體穩(wěn)態(tài)溫度場仿真計算及結(jié)果分析

以排氣消聲器內(nèi)部流體溫度場計算結(jié)果為基礎(chǔ)，采用Ansys穩(wěn)態(tài)熱分析模塊對排氣消聲器殼體溫度進行仿真計算.仿真計算之前需定義材料的熱導(dǎo)率，參照Q235a鋼的物理性能參數(shù)表[12]，Q235a材料在200，300，400，500 ℃時的熱導(dǎo)率分別對應(yīng)61.1，55.3，48.6，42.7W/(m2·K).此外，在排氣消聲器相應(yīng)區(qū)域定義邊界條件：內(nèi)、外壁均采用第三類邊界條件，與氣體間的換熱形式分別屬于強制對流換熱和自然對流換熱，對流換熱系數(shù)分別設(shè)為115W/(m2·℃)和30W/(m2·℃)；排氣消聲器進排氣口管壁端部采用第一類邊界條件，溫度分別設(shè)為230 ℃和25 ℃.

圖4為消聲器殼體穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖，由圖可以看出：此排氣消聲器在第一腔靠近排氣管入口及過渡管出口附近、第三腔靠近進氣管穿孔段附近及尾管上的殼體溫度較高，在197～221 ℃之間，而排氣消聲器其余部分的殼體溫度要低一些，其中固定消聲器支架位置的溫度最低為57 ℃.

圖4 消聲器殼體穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖Fig.4 The steady state thermal contour of muffler shell

4 排氣消聲器殼體溫度試驗測量

4.1 試驗過程

將內(nèi)燃叉車發(fā)動機啟動預(yù)熱到穩(wěn)定狀態(tài)，采用AR300+非接觸式紅外線測溫儀對殼體溫度進行試驗測量，測量現(xiàn)場如圖5所示.溫度測點布置如圖6所示，在消聲器外壁軸向方向共布置有18個測點，分別位于l線、m線和n線上，另外，在尾管管壁上布置有3個測點.測量時測溫儀距測點的距離為50 mm，并且垂直于測點表面，環(huán)境溫度為25 ℃.

1—紅外線測溫儀；2—排氣消聲器圖5 測量現(xiàn)場圖Fig.5 Test field

圖6 測點布置示意圖Fig.6 The layout diagram of test points

4.2 試驗結(jié)果分析

取多次測量結(jié)果的平均值作為測量值，對測量值與仿真值的相對誤差進行估算，并將仿真值、測量值及它們的相對誤差見表1.

表1 殼體溫度測量值與仿真值Table 1 The measurement and simulation value of shell temperature

為了分析排氣消聲器殼體外壁溫度隨位置變化的規(guī)律，對比仿真結(jié)果與試驗結(jié)果的一致性，將表1的數(shù)據(jù)繪制成圖，圖7表示排氣消聲器殼體外壁相應(yīng)刻度線上各測點的溫度分布.

圖7 消聲器殼體溫度分布Fig.7 The temperature distribution of muffler shell

由圖7可以看出：各個刻度線上的測點溫度的仿真數(shù)據(jù)與相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)隨消聲器殼體上的位置變化趨勢基本一致，在數(shù)值大小上存在一定的偏差.結(jié)合表1，大部分測點溫度的仿真值相對于測量值的誤差都在5%以內(nèi)，產(chǎn)生誤差的原因可能是實際試驗測量過程中，測量時人為的因素；在數(shù)值仿真分析時，由于仿真模型在局部區(qū)域做了一些簡化處理，與實際消聲器模型存在一定的差別，以及設(shè)置理想化的邊界條件，也會產(chǎn)生一定的誤差.因此，總體上可以認(rèn)為仿真得到的排氣消聲器殼體溫度場基本可信，進而也說明了排氣消聲器內(nèi)部流場及溫度場仿真結(jié)果的正確性.

5 結(jié) 論

通過對內(nèi)燃叉車排氣消聲器內(nèi)部流場及溫度場的數(shù)值模擬，及殼體溫度場的仿真與試驗，結(jié)果表明：該消聲器內(nèi)流場為非均勻分布，氣流流速大小變化復(fù)雜，且在穿孔及截面突變的管道內(nèi)流速變化較大；排氣消聲器工作過程中內(nèi)部存在較大的溫度梯度，不僅各腔之間的溫差較大，而且在同一腔室內(nèi)的溫度也有差異，變化復(fù)雜，最大溫差約20 ℃；通過消聲器殼體溫度仿真及試驗測試，間接驗證消聲器內(nèi)部流場及溫度場數(shù)值仿真的正確性，是一個比較簡便和實用的方法.

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(責(zé)任編輯：劉 巖)

Numerical analysis of the flow and temperature fields inside an internal combustion forklift exhaust muffler

YOU Hongwu1, WANG Zhigang1, LI Minghui2, SHEN Xiaoqing2, SHEN Suyi2, XIANG Shufeng2, WENG Zeyu1
(1.College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Hangcha Group Co., Ltd., Hangzhou 311305, China)

In order to consider the influence of air flow velocity and temperature into the analysis of acoustic performance of exhaust muffler, the complex flow and temperature fields in an internal combustion forklift exhaust muffler was numerically simulated with the fluent software. The velocity and temperature fields were gained. According to the simulation results of the temperature field inside muffler, the steady state temperature field of muffler shell was calculated with Ansys steady-state thermal analysis module. Moreover, the experiment of measuring muffler shell temperature was carried out. The research results show that the simulation results are consistent with experimental results which on the muffler shell, illustrating that simulation results are credible, and then the simulation results of flow and temperature fields inside muffler are correct.

internal combustion forklift; exhaust muffler; flow field; temperature field; numerical simulation

2016-04-26

游紅武(1966—)，男，福建古田人，講師，研究方向為計算機輔助工程分析及減振降噪技術(shù)，E-mail:youhome999@163.com.

TK402

A

1006-4303(2017)02-0142-05