朱 福，郭 輝,,，王巖松，魏民祥，吳 江

（1.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.南京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210016；3.寧波思明汽車科技股份有限公司，浙江 寧波 315171）

汽車排氣消聲器在實(shí)際使用中，因受到流速和溫度等因素的影響，導(dǎo)致消聲性能與理論值有一定差異[1]，最近十幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注消聲器的多場(chǎng)耦合分析。鄧兆祥等研究了流場(chǎng)和聲場(chǎng)隨穿孔管式消聲單元結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的規(guī)律[2]，趙海軍等通過實(shí)驗(yàn)得出了擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣流噪聲聲功率級(jí)的影響[3]。為研究傳遞損失和氣流噪聲與流場(chǎng)之間的關(guān)系，康鐘緒等和方智等通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法提出隨著氣流馬赫數(shù)增加，消聲頻帶向高頻段延伸[4–5]。Emmet和Keith利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在一定流速范圍內(nèi)氣流噪聲聲壓級(jí)在流速最大時(shí)有最高值[6]。溫度場(chǎng)對(duì)消聲性能也具有一定影響，稅永波利用數(shù)值模擬方法提了出在高溫條件下，擴(kuò)張腔式消聲器高頻消聲效果增強(qiáng)且傳遞損失曲線的兩個(gè)拱形消聲峰峰值間的頻率間距增大[7]。Nishant K.Singh和Philip A.Rubini提出在考慮氣流的擴(kuò)張腔式消聲器的傳遞損失預(yù)測(cè)方面，大渦模擬模型比雷諾時(shí)均方程模型具有明顯優(yōu)勢(shì)[8]。上述研究對(duì)象皆為簡(jiǎn)化的典型消聲單元，對(duì)于實(shí)際使用的復(fù)雜消聲器難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而三維流體計(jì)算可以對(duì)多場(chǎng)耦合的氣流再生噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

本文以某車用共振式排氣消聲器為研究對(duì)象，利用大渦模擬（LES，Large Eddy Simulation）和聲類比(AA，Acoustic Analogy)方法，研究流場(chǎng)、聲場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合下的氣流再生噪聲，分析氣流再生噪聲頻譜特性及其隨流速和溫度的變化特征。

1 LES與AA方法

1.1 大渦模擬

LES湍流模型兼具計(jì)算精度高和計(jì)算量小的優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)測(cè)消聲器腔內(nèi)氣流噪聲方面相對(duì)于其他湍流模型具有明顯優(yōu)勢(shì)[9]。大渦模擬直接對(duì)大尺度渦團(tuán)求解[10]，利用亞格子模型對(duì)小尺度渦團(tuán)進(jìn)行模擬和求解。LES的控制方程如式(1)和式(2)

1.2 聲類比法

LES方法和AA方法結(jié)合，從不同的角度對(duì)連續(xù)性方程和N-S方程推導(dǎo)[11]，把氣動(dòng)噪聲的求解分解成了近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩個(gè)部分，而聲類比中的FW-H方法在預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲上具有較高的精度[12]。Williams[13]于上世紀(jì)60年代提出了氣動(dòng)噪聲的FWH方程,可用于遠(yuǎn)場(chǎng)部分的氣動(dòng)噪聲求解。FW-H方程如式(3)

式中a0為聲速；p′為聲壓；ni為表面法向量；vn為法向速度；Tij為L(zhǎng)ighthill張量。

通過對(duì)方程(3)的結(jié)果進(jìn)行傅里葉變換，即可把時(shí)域解變換為頻域解，從而得出氣流噪聲頻譜數(shù)據(jù)。

2 消聲器理論模型及驗(yàn)證

2.1 物理模型

消聲器的物理模型如圖1所示。其中管件分為進(jìn)氣管、內(nèi)排氣管、上排氣管和下排氣管，進(jìn)氣管前段均勻分布12個(gè)直徑3 mm的小孔，上下排氣管前段均布20個(gè)直徑為3.5 mm的小孔，中段均布120個(gè)直徑3.5 mm的小孔；板件分為穿孔板和隔板，厚度均為1.2 mm，穿孔板上分布有160個(gè)直徑5 mm的小孔。消聲器腔體被隔板C分為腔體A和腔體B，腔A是帶有進(jìn)氣管和穿孔板的共振腔,腔B為帶有內(nèi)排氣管的共振腔。在下排氣管出口末端設(shè)定近場(chǎng)聲壓級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在距離下排氣管末端端口0.5 m處設(shè)定遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1示。

圖1 物理模型

2.2 有限體積模型

將消聲器的流體區(qū)域提取出來，導(dǎo)入流體有限體積軟件star-ccm+中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。多面體網(wǎng)格具有在同等精度下運(yùn)行效率更高的特點(diǎn)，因此采用多面體網(wǎng)格。為兼顧計(jì)算精度和計(jì)算量，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸為5 mm，在小孔以及形變處應(yīng)用更小尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格總數(shù)約60萬，網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 網(wǎng)格模型

設(shè)定入口為速度入口，出口為壓力出口，其余壁面設(shè)置為wall。穩(wěn)態(tài)采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε模型以及curle和proudman寬帶噪聲源模型，迭代次數(shù)1 000步；瞬態(tài)近場(chǎng)采用大渦模擬湍流模型，遠(yuǎn)場(chǎng)采用FWH模型，時(shí)間步設(shè)置為2.5×10-5秒，此時(shí)隱式求解器處于穩(wěn)定且節(jié)省計(jì)算量，離散階數(shù)為2階，迭代時(shí)間為0.12秒。

2.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

在半消聲室內(nèi)搭建氣流再生噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：氣流產(chǎn)生系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)和消聲器。其中氣流產(chǎn)生系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、消聲箱、連接管組成；信號(hào)采集系統(tǒng)由兩個(gè)麥克風(fēng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和信號(hào)采集與處理軟件組成。圖3為氣流再生噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖。

圖3 氣流再生噪聲實(shí)驗(yàn)示意圖

圖4為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，風(fēng)機(jī)位于自制消聲箱內(nèi)，箱內(nèi)壁面貼有消音棉，氣流通過連接管從風(fēng)機(jī)進(jìn)入消聲器進(jìn)氣管。麥克風(fēng)1和2分別位于消聲器進(jìn)氣管入口端和下排氣管出口端。連接管長(zhǎng)2 m，數(shù)據(jù)采集器為L(zhǎng)MS SCM05，風(fēng)機(jī)功率300 W。

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.4 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

圖5是消聲器進(jìn)口流速10 m/s，溫度300 K工況下進(jìn)氣管入口處聲壓級(jí)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于圖3麥克風(fēng)1。仿真結(jié)果在300 Hz以下的低頻段高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果5 dB～10 dB，在300 Hz以上的中高頻段與實(shí)驗(yàn)吻合較好。

圖5 進(jìn)氣端聲壓級(jí)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖6是出口近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于圖3麥克風(fēng)2。300 Hz以下的低頻段仿真結(jié)果高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果5 dB～13 dB，300 Hz以上的中高頻段仿真結(jié)果高于實(shí)驗(yàn)結(jié)果2 dB～8 dB。

仿真與實(shí)驗(yàn)所得數(shù)值大體趨勢(shì)一致，整體吻合較好，但多數(shù)情況下仿真數(shù)值略高于實(shí)驗(yàn)數(shù)值，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是：

圖6 出口端聲壓級(jí)仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

（1）仿真計(jì)算是在近乎理想的邊界條件下進(jìn)行的，而實(shí)驗(yàn)中麥克風(fēng)及支架需伸入下排氣管，帶來一定的排氣阻力，使實(shí)驗(yàn)數(shù)值低于仿真數(shù)值。

（2）建立三維模型時(shí)，因?yàn)榭椎呐挪紖?shù)不全，所以仿真數(shù)模與實(shí)體模型并不完全一致。

雖然仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)值存在少許出入，但總體吻合良好，驗(yàn)證了仿真計(jì)算的有效性，可用于消聲器氣流再生噪聲研究。下一步需計(jì)算分析流場(chǎng)和聲場(chǎng)分布特征以及不同流速和溫度對(duì)氣流再生噪聲的影響規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 流場(chǎng)和聲場(chǎng)云圖分布分析

圖7是消聲器模型CFD計(jì)算結(jié)果，圖中（a）（b）（c）（d）分別顯示了進(jìn)口流速為60 m/s、溫度為900 K工況下的速度場(chǎng)、偶極子噪聲源、四極子噪聲源和湍動(dòng)能的分布云圖。其中（a）（c）（d）為消聲器中間對(duì)稱截面，（b）為消聲器殼體內(nèi)壁面。從圖7（a）可以看出，流場(chǎng)速度數(shù)值較大的區(qū)域主要分布在進(jìn)氣管末端、穿孔板和上下排氣管。圖7（b）表明，偶極子噪聲源主要分布在腔A的殼體內(nèi)壁面，噪聲值較大區(qū)域?yàn)檫M(jìn)氣管末端附近的內(nèi)壁面。從圖7（c）和（d）可以看出，四極子噪聲源和湍動(dòng)能主要分布在進(jìn)氣管末端、穿孔板和上下排氣管處，最大值出現(xiàn)在下排氣管的入口處。這是由于消聲器在進(jìn)氣管末端、穿孔板和上下排氣管處的結(jié)構(gòu)突變處流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致了流體剪切層的不穩(wěn)定[14]，產(chǎn)生了較大的流速、湍動(dòng)能、偶極子噪聲源和四極子噪聲源。

從圖7可以看出，速度場(chǎng)、偶極子噪聲源、四極子噪聲源和湍動(dòng)能云圖在分布上相互對(duì)應(yīng)，具有一致性。這種一致性是由于湍動(dòng)能、偶極子噪聲源和四極子噪聲源聲功率分別與流體流速的平方、6次方和8次方成正比[15–16]。

圖8為消聲器中間對(duì)稱截面湍動(dòng)能云圖，（a）為進(jìn)口速度50 m/s、溫度300 K工況；（b）為進(jìn)口速度60 m/s、溫度400 K工況；（c）為進(jìn)口速度70 m/s、溫度500 K工況?？梢钥闯鲭m然三種工況的進(jìn)口流速和溫度均不相同，但具有相似的湍動(dòng)能云圖分布特征。圖9為以上三種工況的四極子噪聲源云圖，可以看出不同工況的四極子噪聲源云圖分布特征較為相似，受進(jìn)口流速和溫度的影響較小。

從圖8和圖9可以看出，流場(chǎng)和聲場(chǎng)在不同工況下具有相似的云圖分布特征，進(jìn)口流速和溫度對(duì)云圖分布特征的影響較小。不同工況下的云圖差異主要體現(xiàn)在數(shù)值幅度上，因此還需要進(jìn)一步探討流場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)氣流噪聲聲壓級(jí)數(shù)值上的影響。

3.2 流場(chǎng)對(duì)氣流噪聲的影響分析

圖7 流場(chǎng)和聲場(chǎng)云圖

圖8 湍動(dòng)能云圖

圖9 四極子噪聲源云圖

圖10 不同流速下近場(chǎng)氣流噪聲頻譜圖

圖10顯示的是近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣流噪聲聲壓級(jí)頻譜圖，近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于圖1中下排氣管出口端。5個(gè)工況的進(jìn)口流速分別為 40 m/s、50 m/s、60 m/s、70 m/s、80 m/s，進(jìn)出口溫度均為500 K。

從圖5可以看出氣流噪聲以3 000 Hz以下為主，在5 00 Hz至1 000 Hz之間有聲壓級(jí)峰值，1 000 Hz以上聲壓級(jí)開始衰減，不同工況具有相似的聲壓級(jí)變化趨勢(shì)。

圖11對(duì)近場(chǎng)聲壓級(jí)頻譜圖的800 Hz至2 000 Hz頻率段進(jìn)行了局部放大，可以看出聲壓級(jí)從高到低的曲線依次為進(jìn)口流速80 m/s、70 m/s、60 m/s、50 m/s、40 m/s工況下的聲壓級(jí)曲線。

圖11 不同流速的近場(chǎng)氣流噪聲頻譜局部圖

表1顯示的是聲壓級(jí)峰值大小，結(jié)合圖10和圖11可以看出隨著氣流速度增大，聲壓級(jí)大小也隨之依次增大。

表1 不同流速下近場(chǎng)氣流噪聲峰值

圖12顯示的是距離排氣管末端端口0.5 m處的遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜圖，噪聲以200 Hz至3 000 Hz為主，峰值出現(xiàn)在500 Hz至1 200 Hz之間，聲壓級(jí)曲線從高到低依次為進(jìn)口流速80 m/s、70 m/s、60 m/s、50 m/s、40 m/s工況的曲線。

從表2可以看出遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)峰值隨著氣流速度的增大而增大，與表1和圖10顯示的近場(chǎng)聲壓級(jí)隨進(jìn)口流速變化的規(guī)律相吻合。

圖12 不同流速下遠(yuǎn)場(chǎng)氣流噪聲頻譜圖

表2 不同流速下遠(yuǎn)場(chǎng)氣流噪聲峰值

由于四極子噪聲源聲功率級(jí)與流速的8次方成正比[15]，且流速增大導(dǎo)致氣流質(zhì)量流量增大，氣流與物理結(jié)構(gòu)突變的地方產(chǎn)生較大沖擊，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致氣流噪聲聲壓級(jí)隨著氣流進(jìn)口速度的增大而增大。

3.3 溫度場(chǎng)對(duì)氣流噪聲的影響分析

圖13顯示的是近場(chǎng)氣流噪聲聲壓級(jí)頻譜圖，近場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見圖1。五個(gè)工況的熱力學(xué)溫度分別為500 K、600 K、700 K、800 K、900 K，進(jìn)口流速均為70 m/s?？梢钥闯鰵饬髟肼曇? 000 Hz以下為主，峰值出現(xiàn)在600 Hz至1 000 Hz，1 000 Hz以上開始衰減。

圖13 不同溫度的氣流近場(chǎng)噪聲頻譜圖

圖14為氣流近場(chǎng)噪聲頻譜曲線400 Hz至1 000 Hz頻率段的局部放大圖，從曲線總體分布可以看出聲壓級(jí)從高到低的曲線依次為溫度500 K、600 K、700 K、800 K、900 K工況的曲線。

從表3可以看出聲壓級(jí)峰值隨著溫度的升高而降低，結(jié)合圖13和圖14可以看出隨著溫度的升高，聲壓級(jí)整體隨之減小。

圖15顯示的是距離排氣管末端端口0.5 m處的遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)大小，遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲峰值大小相對(duì)接近，但從頻譜特性曲線的300 Hz至600 Hz頻率段可以看出，溫度500 K的聲壓級(jí)曲線最高，溫度900 K的聲壓級(jí)曲線最低，溫度600 K、700 K和800 K的聲壓級(jí)曲線處于500 K和900 K的聲壓級(jí)曲線之間且依次降低，與圖13和表3顯示的近場(chǎng)聲壓級(jí)隨溫度變化的規(guī)律相吻合。

圖14 不同溫度的近場(chǎng)氣流噪聲頻譜局部圖

表3 下不同溫度下近場(chǎng)氣流噪聲峰值

圖15 不同溫度下遠(yuǎn)場(chǎng)氣流噪聲頻譜圖

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，進(jìn)口流速不變，當(dāng)溫度升高時(shí)，氣體體積膨脹，密度減小。聲傳播介質(zhì)的密度越小時(shí)，聲傳播速度越小，且質(zhì)量流量減小，由此導(dǎo)致氣流再生噪聲隨溫度的升高而減小。

5 結(jié)語

本文以共振式消聲器為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬的方法分析了多場(chǎng)耦合下的氣流再生噪聲，研究表明：

（1）利用LES和AA結(jié)合的方法，研究了多場(chǎng)耦合下的共振式消聲器氣流再生噪聲，仿真結(jié)果表明氣流再生噪聲以3 000 Hz以下為主。

（2）同一工況的速度場(chǎng)、湍動(dòng)能、偶極子噪聲源和四極子噪聲源之間的云圖分布特征相互對(duì)應(yīng)，具有一致性；不同工況下的流場(chǎng)和聲場(chǎng)具有相似的云圖分布特征。

（3）溫度一定時(shí)消聲器氣流再生噪聲隨進(jìn)口流速的增大而增大，進(jìn)口流速一定時(shí)氣流再生噪聲隨溫度的增大而減小。但速度和溫度的數(shù)值大小對(duì)頻譜特性的影響較小。

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