梁永勤

摘要：針對(duì)某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)消聲性能在某些工況下不理想的狀況，本文通過(guò)在GT-Power中建立發(fā)動(dòng)機(jī)及消聲器耦合模型，同時(shí)聯(lián)合使用CFD仿真，在不增大壓力損失的前提下，對(duì)其消聲器進(jìn)行了優(yōu)化。通過(guò)對(duì)消聲器消聲擴(kuò)張比，擴(kuò)張腔個(gè)數(shù)及長(zhǎng)度，內(nèi)插管長(zhǎng)度的優(yōu)化改進(jìn)，提高了消聲性能。結(jié)果表明：優(yōu)化后的消聲器在260-690Hz范圍內(nèi)，消聲量平均提高了7dB，全頻率范圍內(nèi)消聲量減小了4dB，消聲效果明顯。

Abstract： In view of the unsatisfactory performance of the noise reduction performance of a four-cylinder diesel engine under certain working conditions， this paper optimizes its muffler by establishing an engine mode in GT-Power without increasing pressure loss. By optimizing and improving the muffler expansion ratio， number and length of expan-sion cavities， the length of the inner cannula， the muffler performance has been improved. The results show that： in the range of 260-690Hz， the noise reduce 7dB on average， the noise reduction in the full frequency range is 4dB， the effect is obvious.

關(guān)鍵詞：消聲器;擴(kuò)張比;擴(kuò)張腔;優(yōu)化

Key words： muffler;expansion ratio;expansion cavity;optimization

中圖分類號(hào)：TB535.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0035-03

0? 引言

消聲器作為目前發(fā)動(dòng)機(jī)排氣降噪的有效途徑，隨著汽車(chē)噪聲法規(guī)的日益嚴(yán)格，其重要性隨之突出，消聲器設(shè)計(jì)需要滿足的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)消聲器的設(shè)計(jì)主要依靠試驗(yàn)來(lái)反復(fù)驗(yàn)證，存在著設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，且設(shè)計(jì)時(shí)常常把消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)性能孤立考慮的缺點(diǎn)[1]。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展和在實(shí)際工程技術(shù)中應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)仿真技術(shù)也在快速發(fā)展并日漸成熟。

消聲器性能研究對(duì)于設(shè)計(jì)研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，其性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有：聲學(xué)性能和動(dòng)力學(xué)性能[2]。聲學(xué)性能評(píng)價(jià)通常用傳遞損失和插入損失來(lái)評(píng)價(jià)。傳遞損失是指消聲元件入口處的入射聲功率級(jí)和出口處的透射聲功率級(jí)之差;插入損失是指安裝消聲器前后的聲功率級(jí)之差?？諝鈩?dòng)力學(xué)性能用消聲器的壓力損失來(lái)表示，即氣流通過(guò)消聲器的進(jìn)出口端的總壓差[3]。本文分別采用插入損失和壓力損失來(lái)評(píng)價(jià)消聲器的聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能。

1? 基于GT-Power的發(fā)動(dòng)機(jī)及排氣系統(tǒng)仿真建模

GT-Power目前在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)CFD仿真中被廣泛應(yīng)用，其不僅能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)進(jìn)行噪音分析，還能對(duì)進(jìn)、排氣系統(tǒng)的消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4，5]。本文以某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示。GT-Power中建立的發(fā)動(dòng)機(jī)模型如圖1所示。

本文主要針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)消聲性能不佳對(duì)消聲器進(jìn)行優(yōu)化，因此，根據(jù)排氣系統(tǒng)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行建模，并將離散化后的消聲器模型與發(fā)動(dòng)機(jī)在GT-power進(jìn)行耦合，耦合后模型如圖2所示。

2? 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

2.1 原消聲器性能分析

發(fā)動(dòng)機(jī)原消聲器第一腔室長(zhǎng)102mm，第二腔室118mm，第三腔室229mm。其擴(kuò)張比為21.6。在第二腔室及距出口50mm處套筒中附有吸聲材料，以吸收高頻噪聲。原消聲器模型如圖3所示。

因該發(fā)動(dòng)機(jī)主要工作在中低轉(zhuǎn)速，故選取該發(fā)動(dòng)機(jī)在2000rpm時(shí)，測(cè)試其原模型插入損失，并進(jìn)一步將原消聲器導(dǎo)入Fluent中，分析其內(nèi)部流場(chǎng)情況，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，雖然消聲器整體消聲量在23dB以上，但在300-800Hz范圍內(nèi)的消聲量小，效果不佳。從內(nèi)部流場(chǎng)可知，消聲器進(jìn)出口流速較大，中間腔室流速較小，氣流的速度呈現(xiàn)逐漸變小的趨勢(shì)，會(huì)造成相應(yīng)的壓力損失。第一、二腔室存在的渦流和回流，也是造成壓力損失的主要原因。

2.2 消聲器性能優(yōu)化

2.2.1 擴(kuò)張腔長(zhǎng)度

擴(kuò)張腔的改變，可以使沿管道傳播的部分聲波發(fā)生反射并與源聲波干涉相消，達(dá)到消聲的目的。其傳遞損失特性主要受擴(kuò)張比m和擴(kuò)張腔長(zhǎng)度L的影響，首先以擴(kuò)張比m和擴(kuò)張腔長(zhǎng)度L為變量，分析其對(duì)消聲量的影響。擴(kuò)張腔長(zhǎng)度和進(jìn)氣管直徑參數(shù)如表2所示。不同擴(kuò)張腔長(zhǎng)度下的消聲器的傳遞損失曲線如圖5所示。

由圖5可知，改變擴(kuò)張腔長(zhǎng)度和擴(kuò)張比，消聲器消聲中心位置會(huì)隨之移動(dòng)，消峰值也會(huì)有所改變。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)原消聲器，當(dāng)消聲器擴(kuò)張腔長(zhǎng)度為150mm，擴(kuò)張比為24時(shí)，消聲器的消聲量最大。

2.2.2 擴(kuò)張腔個(gè)數(shù)

保持消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，進(jìn)一步改變擴(kuò)張腔個(gè)數(shù)來(lái)驗(yàn)證擴(kuò)張腔個(gè)數(shù)的影響。圖6（a）為氣體由進(jìn)氣管進(jìn)入中間的擴(kuò)張腔，再由內(nèi)插管進(jìn)入第二個(gè)擴(kuò)張腔;圖6（b）為消聲器腔體內(nèi)再增加一個(gè)隔板，消聲器內(nèi)有兩個(gè)內(nèi)插管的三個(gè)擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu)。不同擴(kuò)張腔個(gè)數(shù)的消聲器的傳遞損失曲線如圖7所示。

由圖7可知，擴(kuò)張腔個(gè)數(shù)越多，整體消聲量越好，但消聲頻率有所不同。從傳遞損失可知，兩腔和三腔消聲器的傳遞損失均高于原消聲器，但針對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)，其中頻噪聲較高，且兩腔結(jié)構(gòu)對(duì)于原消聲器改動(dòng)最小，故優(yōu)先選擇擴(kuò)張腔為兩個(gè)。

2.2.3 內(nèi)插管長(zhǎng)度

消聲器進(jìn)出口內(nèi)插管長(zhǎng)度對(duì)于特定通過(guò)頻率處消聲量有著不小的影響，本文針對(duì)不同的內(nèi)插管長(zhǎng)度進(jìn)行了研究，內(nèi)插管長(zhǎng)度如表3所示，不同內(nèi)插管長(zhǎng)度下的消聲器的傳遞損失曲線如圖8所示。

由圖8可知，不同的內(nèi)插管長(zhǎng)度，對(duì)中高頻的消聲中心位置會(huì)有所移動(dòng)，最大消聲量也有所不同。在600-900Hz范圍內(nèi)，進(jìn)、排氣內(nèi)插管長(zhǎng)度都為25mm時(shí)，消聲器整體消聲量最大，在其他頻率則相差不大。且由研究表明[6，7]，氣流速度相同時(shí)，當(dāng)增加出氣管的插入長(zhǎng)度時(shí)，湍流噪聲也會(huì)增大，故改進(jìn)方案優(yōu)先選擇內(nèi)插管長(zhǎng)度為25/25mm。

3? 優(yōu)化后消聲器設(shè)計(jì)方案

由以上分析可知，改變消聲器擴(kuò)張腔長(zhǎng)度和擴(kuò)張比，改變擴(kuò)張腔個(gè)數(shù)及內(nèi)插管長(zhǎng)度均對(duì)消聲器最大消聲量有所改變，最終選擇消聲器優(yōu)化方案與原消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示，優(yōu)化后消聲器三維模型如圖9所示，優(yōu)化后插入損失如圖10所示。優(yōu)化后消聲器內(nèi)部流場(chǎng)圖如圖11所示。

由圖10可知，在260-690Hz范圍內(nèi)，消聲量平均提高了7dB，在整個(gè)計(jì)算頻率范圍內(nèi)，消聲器的插入損失提高了4dB，說(shuō)明優(yōu)化后消聲器模型的消聲量明顯提高，消聲性能得到了改善。

由圖11可知，優(yōu)化后消聲器腔體內(nèi)氣體流動(dòng)更加平穩(wěn)。避免了氣體流速產(chǎn)生較大變化和局部氣體流速過(guò)高的現(xiàn)象，減小了由于渦流和回流產(chǎn)生的氣流再生噪聲。同時(shí)也減小了消聲器的壓力損失，使得柴油機(jī)動(dòng)力性能得到改善。

4? 結(jié)論

在不降低壓力損失的基礎(chǔ)上，研究綜合運(yùn)用CFD方法及在GT-Power中建立發(fā)動(dòng)機(jī)及消聲器耦合模型，對(duì)消聲器進(jìn)行了聲學(xué)性能分析。根據(jù)仿真結(jié)果及消聲器的基本設(shè)計(jì)理論，提出消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化后降低了0-1000HZ內(nèi)的尾管排氣噪聲。采用GT-power軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)的耦合模型和使用CFD方法聯(lián)合仿真，準(zhǔn)確度高，且對(duì)消聲器的設(shè)計(jì)優(yōu)化起到指導(dǎo)作用，縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

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