霍黎明，武 佩，張永安，薛 晶，馬彥華

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，由于可利用資源的匱乏及人們環(huán)保意識的提高，節(jié)能減排技術(shù)成為柴油發(fā)動機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)[1]。柴油機(jī)廣泛應(yīng)用于拖拉機(jī)上，由于柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作方式的不同，使得拖拉機(jī)的排氣噪聲在拖拉機(jī)整體噪聲中占主導(dǎo)地位，往往比其他噪聲的總和還要大得多[2-6]。消聲器的安裝使得拖拉機(jī)的排氣噪聲大大降低，但由于消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，排出的氣體通過消聲器時(shí)會有很大的阻力，克服這些阻力作用必然要消耗柴油機(jī)一部分能量。有些消聲器消聲效果很好，但過大的排氣背壓卻造成了發(fā)動機(jī)熱效率低下，甚至因排氣不暢造成柴油機(jī)不能正常工作而被“憋死”；同時(shí)，由于排氣的不順還會造成柴油燃燒不完全，排氣所含污染物過多，造成一定的空氣污染，不利于節(jié)能減排的要求[7]。

評價(jià)消聲器空氣動力性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)是排氣壓力損失[8]，設(shè)計(jì)優(yōu)良的消聲器不僅要有良好的消聲效果，更要有好的空氣動力性[9]。對于這方面的研究，國外進(jìn)行得比較早，在1974年Brahmaji Mutyala和Werner Soedel就對兩沖程用的汽油機(jī)消聲器排氣壓力進(jìn)行了研究，建立了消聲器的數(shù)學(xué)模型，并給出了兩種考慮了速度質(zhì)量耦合的方程進(jìn)行求解，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比[10]。1992年，美國普杜大學(xué)的H.J.Kim和W.Soedel對一款壓縮機(jī)用消聲器的排氣背壓特性進(jìn)行了研究。國內(nèi)對消聲器壓力損失研究比較早的是中國北方車輛研究所的胡立臣，他在1998年建立了以消聲量為目標(biāo)函數(shù)的消聲器壓力損失模型，采用復(fù)合法對某款3#結(jié)構(gòu)的消聲器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，并分析了消聲器壓力損失與入口速度之間的關(guān)系[11]。2005年，天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所的谷芳、劉伯潭等人對某排氣系統(tǒng)的5款設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，通過詳盡的流場分析找出了各方案中壓力損失比較大的部位，并分析了原因，提出了改進(jìn)措施[12]。2009年，山東大學(xué)的胡效東針對半經(jīng)驗(yàn)公式法對抗性消聲器壓力損失計(jì)算精度不高的缺點(diǎn)，運(yùn)用CFD方法成功地解決問題，并研究了單擴(kuò)張腔消聲器壓力損失與溫度的關(guān)系[13]。2010年，南京航空航天大學(xué)的張德滿對單缸柴油機(jī)的壓力損失進(jìn)行了研究,針對前期工作多把單缸柴油機(jī)入口流速設(shè)置成穩(wěn)定流速、與實(shí)際柴油機(jī)工作情況不符的問題，把入口氣流設(shè)置為脈沖氣流，取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果[14]。2011年，重慶大學(xué)的鄧兆祥利用三維軟件建立了不同結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張式消聲器模型，研究了擴(kuò)張比對擴(kuò)張式消聲器壓力損失的影響規(guī)律[15]。2012年，重慶大學(xué)的李沛然研究了各結(jié)構(gòu)參數(shù)對反流插入管消聲器壓力損失的影響規(guī)律，并分析了臨界壁面產(chǎn)生的原因[16]。2013年，北京理工大學(xué)的張語彤在證明了CFD方法可靠性的基礎(chǔ)上，研究了內(nèi)插管及中間擋板對抗性消聲器的壓力損失的影響規(guī)律[17]。

從以上研究現(xiàn)狀可以看出：不管是國內(nèi)還是國外，對消聲器壓力損失影響的研究主要針對的是傳統(tǒng)形式的擴(kuò)張腔消聲器，對于分流對沖消聲器壓力損失卻很少涉及。為此，本文對課題組前期提出的柴油機(jī)分流對沖排氣消聲器的壓力損失進(jìn)行研究，對原模型內(nèi)流場進(jìn)行模擬仿真，并進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以降低壓力損失，為新型消聲器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 分流氣體的對沖消聲器模型分析

1.1 新型消聲器的工作原理

工作原理(見圖1):對沖消聲器的設(shè)計(jì)目的是通過氣流的對沖降低內(nèi)部速度，使消聲器內(nèi)部速度分布均勻，減小湍動能的產(chǎn)生，改善排氣壓力。新型消聲器由進(jìn)氣管、隔板、對沖管、外管，以及擴(kuò)張腔等組成，兩個(gè)對沖管的管面積相等，且兩對沖管面積和不小于進(jìn)口管。對沖管對稱設(shè)置，氣流從入口流入之后由于隔板的作用使氣流分流，從對稱的對沖管流出，經(jīng)過對沖管90°的弧度使氣流對沖，從而使氣流速度降低，然后經(jīng)過擴(kuò)張腔使氣流減緩排出[18]。

圖1 對沖消聲器工作原理圖

對沖消聲器相比傳統(tǒng)擴(kuò)張腔消聲器內(nèi)部隔板減少，取消了容易產(chǎn)生噴柱的穿空管結(jié)構(gòu)，同時(shí)使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)大大簡化，排氣比傳統(tǒng)擴(kuò)張腔消聲器更為順暢。另外，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，制造成本相比傳統(tǒng)擴(kuò)張腔消聲器要低，原設(shè)計(jì)的消聲器可以很好地降低內(nèi)部氣流速度；但由于局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，排氣壓力較大，發(fā)動機(jī)功率損失較大。

1.2 新型對沖消聲器的網(wǎng)格劃分

在hypermesh中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，要滿足流體計(jì)算的一般性要求,如網(wǎng)格的大小要合適，在流體過渡的區(qū)域及結(jié)構(gòu)突變的區(qū)域，要適當(dāng)?shù)販p小網(wǎng)格尺寸，以便更好地捕捉這些區(qū)域的流場變化。模型的簡化要考慮實(shí)際計(jì)算的情況，在保證計(jì)算效率的同時(shí)，不能造成流場的失真[19]，如圖2所示。鑒于此，在考慮壁厚及流場分辨率的前提下，對消聲器內(nèi)部對沖區(qū)域采用2mm大小的網(wǎng)格劃分，其他區(qū)域考慮到計(jì)算時(shí)間采用5mm網(wǎng)格劃分；在畫完面網(wǎng)格之后，在流體區(qū)域生成四面體網(wǎng)格，畫完之后的網(wǎng)格三角形單元為23 000個(gè)，四面體單元為151 865個(gè)，節(jié)點(diǎn)為31 225個(gè)；對消聲器有限元模型進(jìn)行入口、出口、壁面、流體區(qū)域定義之后，輸出為mesh格式。

圖2 分流氣體對沖消聲單元模型網(wǎng)格劃分圖

1.3 邊界條件

選用Fluent軟件中的的k-ε模型進(jìn)行求解。為了便于計(jì)算以及數(shù)據(jù)間的可比性，需要對模型做如下簡化：消聲器內(nèi)部氣流流動為湍流，消聲器內(nèi)部的流速一般不超過100m/s，可把流動氣體簡化為理想不可壓縮氣體進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算時(shí)不考慮發(fā)動機(jī)排氣脈沖的影響，消聲器壁面光滑無移動。計(jì)算時(shí)，壓力速度耦合方式為simple，迎風(fēng)格式為二階，壓力松弛因子為0.3。

1.4 仿真分析結(jié)果

圖3～圖5為消聲器在入口速度為40m/s時(shí)的內(nèi)流場分布云圖。

圖3 消聲器中心截面速度云圖(m/s)

圖4 消聲器中心截面湍動能分布云圖(m2/s2)

圖5 消聲器總壓云圖(Pa)

從速度云圖可以看出：氣流從入口到隔板區(qū)域時(shí)，由于截面的增大，氣流速度有所降低；當(dāng)降低速度的氣流經(jīng)過對沖管時(shí)，由于隔板與對沖管是垂直的過渡，有一個(gè)尖銳的凸起，使氣流速度在此有一個(gè)突變，速度梯度變化比較大，氣流速度達(dá)到消聲器內(nèi)部最大速度。從壓力云圖可以看出：對沖管內(nèi)壁與隔板之間形成了一定的負(fù)壓區(qū)，此區(qū)域與鄰近區(qū)域相比，壓力相對較小。由湍動能云圖可以看出：由于速度梯度的劇變及負(fù)壓區(qū)的產(chǎn)生，湍動能在此處最大，湍動能的產(chǎn)生加劇了氣流動能在此處耗散，產(chǎn)生的壓力損失比較大，是壓力損失比較大的區(qū)域；另外一個(gè)壓力損失比較大的地方在對沖區(qū)域，對沖區(qū)域由于擴(kuò)張腔的作用，氣流速度在此變化比較明顯，高速氣流對沖之后氣流速度迅速降低。此處的氣流能量損失主要為氣流之間的摩擦作用，氣流速度的劇烈變化產(chǎn)生了比較強(qiáng)的湍動能，壓力損失在對沖區(qū)域損失也比較明顯。

2 計(jì)算方法準(zhǔn)確性檢驗(yàn)

在自行設(shè)計(jì)的消聲器試驗(yàn)臺上對原模型施加不同的入口速度，對比試驗(yàn)與仿真結(jié)果。

2.1 消聲器試驗(yàn)臺及設(shè)備組成

排氣消聲器試驗(yàn)臺主要由氣流發(fā)生裝置風(fēng)機(jī)、變頻器、噪聲發(fā)生裝置和主管道及隔聲罩等組成，如圖6所示。

圖6 排氣消聲器試驗(yàn)臺照片

其風(fēng)機(jī)功率550W，流量860m3/h，可以通過控制變頻器調(diào)節(jié)出口流量，風(fēng)機(jī)最大流量能滿足消聲器測試時(shí)的最大速度要求。測試裝置有風(fēng)速儀、皮托管。

2.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《GB/T4760-1995》中關(guān)于消聲器壓力損失的測試方法，待消聲器內(nèi)部氣流速度穩(wěn)定之后，在消聲器入口及出口位置處各選擇一個(gè)平直端面，在給定的入口速度條件下測得消聲器入口及出口端處的平均全壓，消聲器入口及出口端面的全壓之差即為消聲器在指定速度條件下的壓力損失[20]。具體試驗(yàn)時(shí)，在入口及出口端面各選擇9個(gè)均勻分布的測點(diǎn)取平均值，在試驗(yàn)中對模型進(jìn)口施加入口平均速度10～50m/s，試驗(yàn)時(shí)不考慮溫度的影響。試驗(yàn)和仿真所得壓力損失圖7所示。

圖7 試驗(yàn)和仿真壓力損失對比

從圖7中可以看出：試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真模擬的數(shù)據(jù)大體相近，在工程上屬于可接受的誤差范圍之內(nèi)，可以說明CFD仿真模擬的準(zhǔn)確性。

3 消聲器的改進(jìn)設(shè)計(jì)及仿真對比

3.1 改進(jìn)方案的提出

根據(jù)以上仿真結(jié)果，對消聲器以下結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1)為了降低隔板處的壓力損失，可以把垂直的隔板設(shè)計(jì)成導(dǎo)流環(huán)，使氣流不與隔板垂直沖擊，呈一定角度分流過去。

2)對沖管位置處由半徑為25mm的垂直過渡設(shè)計(jì)成半徑為40mm的圓弧過渡。由于原模型在對沖管位置處往下有一個(gè)15mm的套管，所以新設(shè)計(jì)的對沖管與原模型對沖管之間距離不變。分流環(huán)與對沖管設(shè)計(jì)見圖8所示。

3.2 仿真結(jié)果對比

在入口平均速度為40m/s的工況下對改進(jìn)后的模型進(jìn)行了壓力損失的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9～圖11所示。

圖8 結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

圖9 消聲器中心截面速度云圖 (m/s)

圖10 改進(jìn)后的模型壓力分布圖 (Pa)

圖11 改進(jìn)后的模型湍動能分布圖 (m2/s2)

1)從修改后的消聲器速度云圖可以看出：導(dǎo)流環(huán)的分流作用比較明顯，雖然消聲器內(nèi)部最大速度由改進(jìn)前的42.6m/s降低到改進(jìn)后的41.3m/s，內(nèi)部速度最大值降幅不大；但是，由于導(dǎo)流環(huán)的導(dǎo)流作用，改進(jìn)后的消聲器速度梯度在沖管內(nèi)側(cè)區(qū)域得到了明顯改善，消除了容易產(chǎn)生渦流的負(fù)壓區(qū)，速度梯度的變小及負(fù)壓區(qū)的消除使得此區(qū)域的湍動能大為降低。

2)從壓力云圖可以看出：改進(jìn)后的模型在隔板位置處的壓力損失降低，入口到隔板位置處的最大全壓由2 220Pa降低到1 550Pa，說明改進(jìn)之后的模型從入口到隔板位置處的堵塞問題得到了很好的解決，分流環(huán)的導(dǎo)流作用比隔板效果明顯。在對沖管位置處壓力由原模型的1 126Pa降低到918Pa，并且消除了原模型在對沖管位置處的負(fù)壓區(qū)，使氣流平緩?fù)ㄟ^，流場得到了很好的改善。

由表1可以看出：修改前后的消聲器壓力損失都隨著入口速度的增大而增大，修改后的消聲器壓力損失在各個(gè)速度條件下都比原消聲器排氣壓力要?。惶貏e在入口速度最大時(shí)，排氣壓力損失由修改前的3 376Pa減小到修改后的1 858Pa，效果明顯。這說明，修改之后的消聲器空氣動力性能顯著提高。

表1 為模型修改前后不同速度下的壓力損失對比

4 結(jié)論

1)通過對原消聲器的內(nèi)流場仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，速度梯度的急劇變化是產(chǎn)生壓力損失的主要原因。

2)消聲器的內(nèi)部壓力損失主要存在于隔板位置及對沖區(qū)域處，在氣流改變劇烈的地方可以通過增加導(dǎo)流環(huán)等方法使流場改善，降低壓力損失。

3)改進(jìn)后的消聲器在50m/s時(shí)壓力損失比原消聲器降低1 025Pa，說明內(nèi)部流場的改善可以降低排氣壓力損失。消聲器設(shè)計(jì)之初可以考慮內(nèi)流場的分布進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。

4)通常情況下，消聲器的壓力損失隨著消聲器的入口速度的增大而增大，速度越大壓力損失增加的幅度越大。

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