劉全美　王杰　莫壽存　陳萌

摘 要：汽車尾氣在消聲器中流動(dòng)是屬于流體流動(dòng)的問題，有效分析汽車尾氣在復(fù)合式消聲器內(nèi)部的流動(dòng)情況，有利于對(duì)消聲器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了設(shè)計(jì)高效的汽車消聲器，該文利用Ansys CFX模擬計(jì)算消聲器內(nèi)部流場(chǎng)，消聲器的進(jìn)氣端壓力較高，所以造成其壓力損失較高，使得能量損失增加，空氣動(dòng)力性能有所下降，但仍然在合理的范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：Ansys CFX模擬計(jì)算 消聲器 模擬分析

中圖分類號(hào)：TH3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）05（a）-0100-02

汽車尾氣在消聲器中流動(dòng)是屬于流體流動(dòng)的問題，有效分析汽車尾氣在復(fù)合式消聲器內(nèi)部的流動(dòng)情況，有利于對(duì)消聲器的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。故該文利用Ansys CFX軟件對(duì)消聲器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析。

1 仿真目的與過程

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)在日常使用中，衡量消聲器在空氣中動(dòng)力性的唯一一個(gè)指標(biāo)就是通過監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率損失，但是，在實(shí)際的工作狀態(tài)下，仿真分析不能夠模擬排氣系統(tǒng)的工作，所以通過消聲器的壓力損失來(lái)衡量[1]。

（2）仿真過程。

①物理模型的建立。

②在ICEM CFD中劃分網(wǎng)格。

③在CFX-Pre中設(shè)置求解條件。

④在CFX-Solver中求解。

⑤在CFX-post中查看仿真結(jié)果。

2 消聲器物理模型的建立

在Catia中建立復(fù)合式消聲器的物理模型，由于只需模擬消聲器內(nèi)部的流場(chǎng)，其外部結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)無(wú)影響，所以將消聲器殼體進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，三維模型建立好之后將文件保存為stp格式，再導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。

2.1 消聲器網(wǎng)格模型的生成

為了進(jìn)行消聲器流場(chǎng)的仿真模擬，該文采用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格模型進(jìn)行劃分，并且在邊界采用三棱柱邊界層網(wǎng)格，這樣可以達(dá)到精度要求，同時(shí)減少計(jì)算量，提高計(jì)算的速度。消聲器劃分好的網(wǎng)格總數(shù)為1 694 320，復(fù)合式消聲器劃分好的網(wǎng)格總數(shù)為1 734 420。

2.2 利用CFX求解

首先將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入CFX-pre中設(shè)置求解條件，我們可以認(rèn)為在消聲器的內(nèi)部，流體流動(dòng)是均勻并且連續(xù)的，該文將速度入口作為入口邊界條件，同時(shí)將壓力出口作為出口的邊界條件。具體的求解過程如下所示。

（1）排氣消聲器的數(shù)值仿真分析流體材料：排氣在消聲器內(nèi)的氣體溫度一般為200 ℃。

（2）湍流模型：為了求解質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程，該文中選用標(biāo)準(zhǔn)的模型，即經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證的k-ε模型。

（3）壁面邊界條件非振動(dòng)：沒有滑移的，這相當(dāng)于流體在壁面上的速度為0。一般氣體在消聲器中的流速在20～60 m/s[2]，在該文的研究中入口速度邊界條件為40 m/s，進(jìn)氣溫度為150 ℃，出口絕對(duì)壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即相對(duì)壓強(qiáng)為0 Pa。

3 仿真結(jié)果分析

該文對(duì)消聲器進(jìn)行了流場(chǎng)仿真分析，可以清晰地觀察出消聲器的溫度、速度和壓力流場(chǎng)分布圖，并計(jì)算出其壓力損失，從而更好地評(píng)價(jià)其空氣動(dòng)力特性。

3.1 溫度場(chǎng)

溫度不僅能夠改變消聲器內(nèi)部的流體屬性，還可以改變其中聲音的傳播速度，能夠影響各個(gè)特征的消聲單元對(duì)主要頻段的噪聲降低、消聲器進(jìn)出氣管和壁面的溫度場(chǎng)分布。隨著消聲器內(nèi)部氣流流動(dòng)方向，內(nèi)部溫度有一定的變化，由于消聲器壁面散熱，因此隨著氣流的方向溫度減?。桓邷貧饬鲝臍飧字苯舆M(jìn)入進(jìn)氣管，進(jìn)氣管入口溫度423 K；腔體內(nèi)部由于等離子體和直通管上穿孔結(jié)構(gòu)的存在使得腔體局部的溫度有所升高；排氣口溫度大約為370 K，其進(jìn)出口溫度差為53 K；消聲器內(nèi)部各腔溫度分布有一定的變化，若在進(jìn)行聲學(xué)性能分析時(shí)采用相同的溫度進(jìn)行分析，勢(shì)必會(huì)無(wú)法準(zhǔn)確得到消聲器聲學(xué)性能，因此準(zhǔn)確的溫度分布為準(zhǔn)確分析消聲器性能打下了基礎(chǔ)。

3.2 速度場(chǎng)

消聲器內(nèi)部流體流速對(duì)消聲器性能的影響主要體現(xiàn)在：第一，流速會(huì)影響聲音的傳播與衰減；第二，流速是消聲器內(nèi)部流體噪聲產(chǎn)生的主要原因[3]。流速對(duì)聲音傳播的影響主要有：改變聲音傳播的波長(zhǎng)。當(dāng)流體速度與聲波傳播方向相同時(shí)，減小了聲波的衰減量，使得消聲量減?。幌喾?，可以增加消聲器的消聲量。因此在消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，為了得到較好的聲學(xué)性能，會(huì)采用一些回流結(jié)構(gòu)使聲波傳播方向與流速方向相反，但回流、碰撞容易引起湍流，湍流是流體再生噪聲產(chǎn)生的主要原因，也會(huì)增大消聲器的動(dòng)能損失，影響其空氣動(dòng)力性能。因此在設(shè)計(jì)消聲器時(shí)要綜合權(quán)衡這些因素。消聲器進(jìn)氣管流入的氣流只有小部分通過進(jìn)氣管位于第一腔內(nèi)的小孔直接流入第一腔，大部分氣流會(huì)流到第二腔和第三腔。之后又有氣流通過緩沖管流入消聲器的第一腔。正是由于這些漩渦和氣體的回流，使得抗式消聲器發(fā)揮其作用，從而降低了噪聲量。發(fā)動(dòng)機(jī)將進(jìn)氣流速達(dá)到40 m/s排氣通過右側(cè)的進(jìn)氣管進(jìn)入到氣速，流體在流動(dòng)的過程中，會(huì)依次通過一、二、三腔，第一腔由于進(jìn)入的流體比較少，所以流速也比較低；進(jìn)入第二腔的流體由于流速的梯度變化很大，所以流速加快，流體通過撞擊隔板形成回流。在流體通過前兩腔，一部分氣流會(huì)進(jìn)入到腔體的里面，由于穿孔率很小，使小孔的周圍集中了很多的氣流，增加了流速。消聲器的進(jìn)口和出口的管徑大小相同，所以進(jìn)出口的流速也是相同的。

3.3 壓力場(chǎng)

在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)上，排氣消聲器的功率損失是衡量復(fù)雜排氣消聲器空氣動(dòng)力性能的主要指標(biāo)，然而在消聲器仿真分析中，常常是通過壓力損失評(píng)價(jià)這一性能指標(biāo)。消聲器壓力損失主要由局部壓力損失與沿程摩擦壓力損失組成，同時(shí)消聲器內(nèi)部壓力的大小還與流體中的湍流等因素有關(guān)，因?yàn)橥牧魍ǔ０l(fā)生在流體旋轉(zhuǎn)、回流、碰撞處，這些都是造成壓力損失的原因。在直通管中，沿著流體流動(dòng)的方向，壓力不斷減小，這主要是由于沿程摩擦損失引起的；在各個(gè)腔之間壓力變化較大，主要是由于局部壓力損失引起的。消聲器進(jìn)氣端壓力約為1 870 Pa，出氣端壓力約為162 Pa。從消聲器整體分析壓力損失，由于消聲器結(jié)構(gòu)多采用共振腔、直通管，而避免使用擴(kuò)張等形式的消聲單元，因此壓力損失較小為1 870-162=1 708 Pa。

4 結(jié)語(yǔ)

該文對(duì)消聲器進(jìn)行了建模與網(wǎng)格劃分，并利用Ansys CFX對(duì)消聲器內(nèi)部的空氣流動(dòng)情況進(jìn)行了模擬仿真。對(duì)比分析其結(jié)果可得知，消聲器的進(jìn)氣端壓力較高，所以造成其壓力損失較高，使得能量損失增加，空氣動(dòng)力性能有所下降，但仍然在合理的范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙世舉.排氣消聲器壓力損失仿真與試驗(yàn)研究[D].重慶大學(xué)，2010.

[2] 李以農(nóng)，路明，鄭蕾，等.汽車排氣消聲器內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，31（10）：1094-1097.

[3] A. Selamet，N.S. Dickey，P.M. Radavich，et al.Theoretical Computational and Experimental Investigation of Helmholtz Resonators：One-Dimensional Versus Multi Dimensional Approach[R].International Congress and Exposition，1994.