基于STAR-CCM+小型通機(jī)消聲器的優(yōu)化

袁守利，馮 帆

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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基于STAR-CCM+小型通機(jī)消聲器的優(yōu)化

袁守利，馮 帆

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

針對(duì)小型通機(jī)(DY4500鏈鋸)消聲器背壓和噪聲值較大的問(wèn)題，利用CATIA和HyperMesh進(jìn)行物理模型的建立及表面處理，并且通過(guò)STAR-CCM+軟件在給定邊界條件下得出其速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，經(jīng)過(guò)對(duì)消聲器進(jìn)行的流場(chǎng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可降低排氣系統(tǒng)背壓，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案達(dá)到了預(yù)期效果。該模擬仿真分析方法提高了消聲器使用性能，同時(shí)縮短了其設(shè)計(jì)周期。

消聲器；STAR-CCM+；流場(chǎng)分析；消聲器背壓

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)越來(lái)越多地運(yùn)用于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中。但是對(duì)于小型通機(jī)而言，由于其排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、氣流速度相對(duì)較低，故其多數(shù)仍按照經(jīng)驗(yàn)加實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致了發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降大、噪聲值高等問(wèn)題，不能滿足市場(chǎng)需求。因此，筆者以山東某公司正在研發(fā)的DY4500鏈鋸所搭載的小型二沖程汽油機(jī)為對(duì)象，采用STAR-CCM+軟件對(duì)其消聲器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的調(diào)整和優(yōu)化，在降低成本和研發(fā)周期的前提下，提高其使用性能[1]。

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 建立流場(chǎng)控制方程[2]

1.1.1 質(zhì)量守恒方程

流體流動(dòng)都滿足連續(xù)性方程即質(zhì)量守恒定律，該定律可表述為：在同一時(shí)間內(nèi)通過(guò)流場(chǎng)中任一封閉表面的體積流量等于零，也就是說(shuō)，在同一時(shí)間內(nèi)流入的體積流量與流出的體積流量相等。按照這一定律，可以得出不可壓縮流體密度ρ為常數(shù)的質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中，u、v、w分別為速度矢量u在x、y、z方向上的分量。

1.1.2 動(dòng)量守恒方程

流動(dòng)系統(tǒng)也都必須滿足動(dòng)量守恒定律即牛頓第二定律。該定律可表述為：對(duì)一給定的流體系統(tǒng)，其動(dòng)量的積累速率等于作用于其上外力的總和。由此定律可得出x、y和z這3個(gè)方向上的動(dòng)量守恒方程：

式中：p為流體微元體上的壓力；τxx、τxy、τxz分別為粘性應(yīng)力τ的分量；Fx、Fy、Fz分別為微元體上的體力。

1.1.3 能量守恒方程

包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須要滿足能量守恒定律即熱力學(xué)第一定律，該定律可表述為：對(duì)于某一控制體中流體所做的功與加給該流體的熱量之和等于流體的能量增加值。以溫度T為變量的能量守恒方程為：

(5)

式中：cp為比熱容；k為流體傳熱系數(shù)；ST為粘性耗散項(xiàng)。

1.1.4 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率的半經(jīng)驗(yàn)公式，k方程是精確方程，而湍流耗散率方程，即ε方程則是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程[3]，分別如式(6)和式(7)所示。

(6)

(7)

1.2 消聲器邊界條件設(shè)置

消聲器邊界條件如表1所示。流體屬性設(shè)置為：等密度氣體，密度為0.611kg/m3；定壓比熱容為1 113.48J/(kg·K)；運(yùn)動(dòng)粘度為1.918×10-5kg/(m·s)；混合氣熱傳導(dǎo)率為0.024 2W/(m·K)；湍流模型為k-ε模型。

2 幾何模型的建立與處理

取DY4500鏈鋸消聲器，測(cè)量其全部尺寸，然后利用CATIA按比例 1∶1 建立三維實(shí)體模型，如圖1和圖2所示。

將上述三維模型導(dǎo)入HyperMesh中，利用HyperMesh封住進(jìn)出口，進(jìn)行幾何清理并抽取模型的內(nèi)表面作為流體域，形成拓?fù)浞忾]的空間域，如圖3所示。

將該模型導(dǎo)入STAR-CCM+中進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分，邊界層網(wǎng)格設(shè)置為：厚度1 mm，層數(shù)3層，增長(zhǎng)因子1.2。面網(wǎng)格采用三角網(wǎng)格數(shù)量約為38 000個(gè)，如圖4所示；體網(wǎng)格采用多面體網(wǎng)格數(shù)量約為108 000個(gè)，如圖5所示。

表1 消聲器邊界條件定義

圖1 消聲器三維實(shí)體模型

圖2 消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 拓?fù)浞忾]的空間域

圖4 三角面網(wǎng)格

圖5 體網(wǎng)格剖視圖

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 STAR-CCM+求解

網(wǎng)格劃分結(jié)束后，在STAR-CCM+中進(jìn)行物理模型的選擇和邊界條件的設(shè)定，然后點(diǎn)擊Run按鈕對(duì)計(jì)算域進(jìn)行迭代運(yùn)算，觀察殘差曲線及各云圖的變化，經(jīng)過(guò)600步的運(yùn)算可得出收斂計(jì)算結(jié)果。

3.2 速度場(chǎng)分析

速度云圖與速度矢量圖如圖6和圖7所示，從圖中可知：入口處氣流流速為70 m/s，出口處氣流平均速度為82 m/s，可見流體在整個(gè)消聲器中的流速有所增加。這是因?yàn)楣苈方孛娴钠骄魉傧嗟龋怯捎诔隹诠艿澜孛娣e過(guò)小，使得同等流量氣體流過(guò)時(shí)，其局部流速增大。同理，當(dāng)氣流流過(guò)第一腔與第二腔之間的通道時(shí)，其流速也有所增加。高溫高壓氣體自發(fā)動(dòng)機(jī)高速排出后流入消聲器中，由于消聲器中結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得各個(gè)截面處面積各不相同，氣流流過(guò)時(shí)發(fā)生了膨脹和收縮現(xiàn)象，同時(shí)氣體流速也隨之降低和提高，從而消耗氣流能量，衰減排氣噪聲[4]。

圖6 速度云圖(對(duì)稱面)

圖7 速度矢量圖

速度流線圖如圖8所示，從圖8可以看出氣體從入口進(jìn)入，直接撞擊消聲器內(nèi)壁在第一腔產(chǎn)生湍流，由于流速較低，湍動(dòng)并不劇烈。而在第二腔中由于流體通道截面積變化較大，形成的湍流也最劇烈，因此造成壓力損失也最大。

圖8 速度流線圖

3.3 溫度場(chǎng)分析

溫度云圖如圖9所示，從圖9可知：入口處氣體的溫度為 700 K，出口處的溫度為460 K。溫度總體降低約為 240 K。結(jié)合圖6可知，氣體在腔內(nèi)擴(kuò)散速度逐漸降低，從而導(dǎo)致了溫度的降低。在第一、二腔的連接處及出氣管道中，由于氣體流速快，其溫度有所上升。

圖9 溫度云圖(對(duì)稱面)

圖10 壓力云圖(對(duì)稱面)

3.4 壓力場(chǎng)分析

從圖10的壓力云圖可知：消聲器內(nèi)部壓力總體分布呈逐漸降低的趨勢(shì)，入口處壓力為35 kPa，出氣管道處截面積小，氣體流速快導(dǎo)致其壓力較低，消聲器突變壓力較大。圓形隔板的節(jié)流作用也干擾和沖擊了流體的流動(dòng)，導(dǎo)致了消聲器較大的壓力損失，從而產(chǎn)生了較大的背壓，使得排氣系統(tǒng)的排氣效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的功率降低，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性[5]。

由以上對(duì)消聲器內(nèi)流場(chǎng)分析可知，消聲器是通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得氣體流過(guò)時(shí)排氣壓力逐漸降低，排氣能量逐漸耗散，從而達(dá)到降低噪聲的目的。然而這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)勢(shì)必導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓的增加及發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的降低。因此筆者通過(guò)對(duì)該消聲器結(jié)構(gòu)的調(diào)整，平衡功率降低和降噪的矛盾，優(yōu)化消聲器的性能[6-7]。

4 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

4.1 優(yōu)化方案

(1)增大出氣管道的截面積，外表面由原方案中的長(zhǎng)×寬=20 mm×8 mm,改為長(zhǎng)×寬=22 mm×10 mm。

(2)縮短出氣管道長(zhǎng)度，使得進(jìn)氣口端面與消聲器外殼內(nèi)壁面距離由原來(lái)的17 mm改為24 mm。

4.2 流場(chǎng)分析

優(yōu)化后壓力云圖如圖11所示，與優(yōu)化前壓力云圖對(duì)比可知，消聲器整體背壓由原來(lái)的35 kPa降為18 kPa，通過(guò)在原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的調(diào)整使得背壓大大降低，從而在整體上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖11 優(yōu)化后的壓力云圖

4.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得優(yōu)化前后的背壓和噪聲值如表2所示。從表2可知，在優(yōu)化前后消聲器背壓降低的同時(shí)，噪聲值基本上保持不變，較好地平衡了功率降低與降噪的矛盾，達(dá)到了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的[8]。

表2 優(yōu)化前后消聲器背壓和噪聲對(duì)比

5 結(jié)論

通過(guò)STAR-CCM+軟件對(duì)小型通機(jī)消聲器進(jìn)行內(nèi)流場(chǎng)模擬仿真，得出其速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，分析其設(shè)計(jì)上的不足，并經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其在噪聲值變化不大的同時(shí)降低了背壓，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在小型通機(jī)排氣系統(tǒng)上的應(yīng)用，可大大降低產(chǎn)品的成本、縮短研發(fā)時(shí)間，加快產(chǎn)品的成型，同時(shí)使消聲器性能也得到了提高。

[1] 張敏.基于Fluent的草坪割草機(jī)消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].湖南農(nóng)機(jī)，2014(3)：37-39.

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[3] 李明,李明高.STAR-CCM+與流場(chǎng)計(jì)算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011:3-10.

[4] 馬家義.消聲器內(nèi)部流場(chǎng)聲學(xué)特性研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

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YUAN Shouli:Assoc. Prof.; School of Automotive Engineering, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Optimization of Muffler in Small General Purpose Engine Based on STAR-CCM+

YUANShouli,FENGFan

The problem of the larger back pressure and noise values in small general purpose engine (DY4500 Chain saw) muffler was discussed. The software CATIA and HyperMesh were used to build a physical model. The velocity field, the temperature field and pressure field were obtained by using STAR-CCM+ for a typical muffler structure under the given boundary conditions. The exhaust system back pressure was reduced and the engine dynamic performance was improved through the flow field analysis and structural optimization of the muffler. It is found that the improvement scheme gets the desired effect which proved by the bench test. The performance of the muffler was improved while the design cycle was reduced by using this simulation analysis method.

muffler; STAR-CCM+; flow field analysis; back pressure of muffler

2015-04-24.

袁守利(1966-),男，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院副教授.

2095-3852(2015)06-0684-04

A

TU112.59

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.005