基于ANSYS的汽車排氣消聲器流場分析*

河南工程學(xué)院機械工程系 郭 鵬 馬建輝 杜向向

基于ANSYS的汽車排氣消聲器流場分析*

河南工程學(xué)院機械工程系 郭 鵬 馬建輝 杜向向

車輛作為人們?nèi)粘Ｉ钪械闹饕煌üぞ?，其噪聲已成為最主要的交通噪聲污染源，?jù)統(tǒng)計，70%左右的交通噪聲是由車輛引起的。對排氣噪聲的控制，最簡單、有效的方法就是采用排氣消聲器。一般消聲器會對發(fā)動機產(chǎn)生兩個方面的影響。第一，降低排氣噪聲；第二，增加排氣背壓，降低發(fā)動機動力性和經(jīng)濟性。消聲器的聲學(xué)性能與排氣的流動性目標是一對矛盾。矛盾產(chǎn)生的原因在于消聲器的消聲性能越好，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流體力學(xué)性能越差，發(fā)動機因此產(chǎn)生的功率損失就越大。因此，在設(shè)計車用排氣消聲器時要處理好聲學(xué)—流體力學(xué)這一矛盾，獲得既有大消聲量（聲學(xué)性能好）、排氣背壓小（流體力學(xué)性能好，功率損失?。┑南暺骶哂泻苤匾默F(xiàn)實意義。衡量消聲器對發(fā)動機功率損失的影響程度的主要評價指標是壓力損失。傳統(tǒng)的實驗研究方法存在著周期長、成本高的缺陷。

本文，筆者利用專業(yè)的建模軟件對某消聲器結(jié)構(gòu)進行了三維實體建模，并把消聲器實體模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS，建立消聲器有限元模型，模擬消聲器實際使用情況，利用ANSYS的流體分析模塊對消聲器進行流場分析，得到發(fā)動機廢氣經(jīng)過消聲器進出口時的壓力損失，實現(xiàn)了對消聲器性能的預(yù)測分析。

一、排氣消聲器流體力學(xué)性能的評價指標

代表消聲器流體力學(xué)性能的空氣動力學(xué)性能以功率損失比、壓力損失和阻力系數(shù)來評價。壓力損失越大，消聲效果越好；但另一方面，壓力損失越大，對發(fā)動機功率的影響越大。壓力損失是指待測消聲器存在平穩(wěn)氣流時，消聲器進口端與出口端平均全壓的降低量，考慮發(fā)動機功率損失，其值越小越好。

二、利用計算機仿真方法進行消聲器性能研究的流程

首先根據(jù)消聲器實際結(jié)構(gòu)，用計算機輔助畫圖軟件建立三維實體模型，然后導(dǎo)入計算機輔助有限元分析軟件，劃分單元格后生成消聲器的有限元模型，然后模擬消聲器實際工作條件，對其加載后進行分析計算，最后根據(jù)生成的圖表進行分析計算得到所需的參數(shù)，用來預(yù)測消聲器的性能。

三、消聲器結(jié)構(gòu)模型的建立

本文，筆者所研究消聲器為抗性消聲器，是為了滿足中、低頻的消聲效果。其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1所示，總長為1000mm；擴張腔長為600mm，直徑150mm；內(nèi)部四級消聲結(jié)構(gòu)為雙面鼻錐結(jié)構(gòu)，雙面鼻錐內(nèi)圓直徑101.5mm，鼻錐角度為40°，壁厚為1mm；出/入管直徑50mm，材料選用鋼Q235，其參數(shù)見表1。

表1 Q235的參數(shù)

四、消聲器模型的內(nèi)部流場分析

1.定義初始條件。該消聲器在發(fā)動機轉(zhuǎn)速5500r/min時，消聲器入口處質(zhì)量流量為0.06kg/s，由公式（1）可計算流體的速度。

式中，Q為流量，A1、A2為截面積，v1、v2為流體在截面處的速度。根據(jù)入口處空氣特性指標，由公式（1）可計算出流體的速度v=27.5m/s。

雷諾數(shù)Re=43698＞4000。計算結(jié)果表明，消聲管內(nèi)部氣流Re數(shù)已遠遠大于4000，說明這時管內(nèi)流動不但是湍流，而且已進入阻力平方區(qū)，即消聲器內(nèi)的壓降和流速的2次方成正比，流體受到的黏性阻力對壓降的影響相對較小，可以忽略。計算可得馬赫數(shù)=0.083＜0.3，是不可壓縮流體。

2.定義邊界條件。由于消聲器的內(nèi)管壁為光滑、非滲透性的，管壁沒有滑移，即流體在壁面邊界上的速度設(shè)為0；流體速度v=27.5m/s；氣流方向垂直于入口處；假定進口速度均勻，并且垂直于進口流場方向上的流體速度為零；假定出口壓力為零。

3.內(nèi)部流場分析。施加邊界條件和設(shè)置流體特性與環(huán)境后，執(zhí)行流體分析。進入一般后處理模塊，繪出速度的向量顯示圖。繪出速度及總壓力云圖。速度云圖如圖2所示。總壓力云圖如圖3所示。

4.圖形分析及壓力損失計算。

（1）圖形分析。由速度矢量圖可以看出，流體與消聲器壁和鼻錐發(fā)生多次碰撞，是造成消聲器壓力損失的主要原因。由速度云圖可以看出，在入口和出口處速度變化較大，出口處速度最大，且形成激噴噪聲。由于渦流造成擴張腔中部速度變化不均勻，但總體變化不大。由總壓力云圖可以看出，總壓力在入口和出口處變化較大，而擴張腔中變化不大。

（2）壓力損失計算。在根據(jù)消聲器仿真結(jié)果進行壓力損失計算時，在進口和出口端管道的平直部分的中部，各選一個測量截面，在給定氣流速度下測出兩個截面上的平均全壓，由消聲器兩端平均全壓的降低量得出壓力損失。其具體步驟如下。

在消聲器的輸入、輸出管的橫截面上，采用N個（N≥9）均勻的點來計算消聲器的平均壓強，計算平均動壓強的修正系數(shù)為：

式中，N為點的個數(shù)；vi為每一個點的速度，單位為m/s；vm為相應(yīng)截面中心點處速度值。

平均動壓計算公式為：

式中，pv為相應(yīng)截面中心點處的動壓強，單位為Pa。

截面的全壓為：

式中，ps為指定截面的靜壓，單位為Pa。

消聲器的壓力損失就是輸入、輸出截面的全壓之差：

五、結(jié)論

1.綜合速度矢量圖、速度云圖、總壓力云圖以及壓力損失可以看出，四級雙面鼻錐結(jié)構(gòu)使氣流沿多級錐體縮放、撞擊分流以達到消聲效果。內(nèi)部在鼻錐結(jié)構(gòu)和消聲器中部由于聲波的反復(fù)反射，形成部分渦流，容易形成二次振動噪聲。在消聲器出口處，流體的速度及消聲器內(nèi)部壓力會突然增加，形成激噴現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)上有待改進。

2.在消聲器的設(shè)計中，評價消聲效果的一個重要指標是壓力損失。壓力損失越大，消聲效果越好；但另一方面，壓力損失越大，對發(fā)動機功率的影響越大。因此在消聲器的設(shè)計中應(yīng)該綜合考慮壓力損失對消聲效果和發(fā)動機功率的影響，取得一個最優(yōu)值?？梢愿淖儽清F部分的角度，進行仿真計算，并與原消聲器計算結(jié)果進行比較分析，得出結(jié)構(gòu)改變對消聲器性能的影響。

河南工程學(xué)院青年基金項目“汽車排氣消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計”（Y2007024）。