基于CFD的汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲分析

柴夢達，薛鐵龍

（合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

基于CFD的汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲分析

柴夢達，薛鐵龍

Chai Mengda，Xue Tielong

（合肥工業(yè)大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

為了降低發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲，首先利用計算流體力學方法，對汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)模型的內(nèi)部流場進行三維數(shù)值模擬；其次通過計算得到計算域內(nèi)流場分布，觀察打開不同排氣歧管入口時消音器及尾管的內(nèi)部流線圖、催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣體流動均勻性來研究分析發(fā)動機排氣歧管噪聲的產(chǎn)生原因。最后根據(jù)分析結(jié)果找出原結(jié)構(gòu)中不合理的部位，并提出2種對發(fā)動機排氣系統(tǒng)的優(yōu)化改進方案，以達到減小排氣阻力和排氣噪聲的目的。

計算流體力學；流場；排氣系統(tǒng)；流動均勻性；噪聲

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，汽車的保有量迅速增加，汽車行駛速度也越來越快，帶來了日益嚴重的噪聲污染。有關(guān)文獻顯示，城市環(huán)境噪聲70%來源于機動車輛[1]，汽車行駛中所產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)成為最主要的交通噪聲污染源。較大的汽車噪聲會對乘員情緒產(chǎn)生影響，使其容易疲勞，從而減小駕乘樂趣[2]。汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)的噪聲又是汽車噪聲中較為主要的一個方面，因此，對汽車發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲的相關(guān)問題進行研究，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

針對汽車的噪聲污染問題，一些發(fā)達國家從20世紀60年代開始對如何減小機動車輛噪聲排放展開研究，并制定了許多法規(guī)和標準進行控制[3]。我國也在這個領(lǐng)域展開了一些研究和探索，并制定了相關(guān)行業(yè)標準，有效地推動了汽車降噪工作的展開[4]。

傳統(tǒng)的研究方法主要是針對消音器部分，通過試驗測定采用不同尺寸、形狀消音器時排氣系統(tǒng)噪聲的大小以確定改進方案。然而這種研究方法具有試驗受到現(xiàn)實條件限制和成本較高等缺點，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代研究的需要。近年來，計算流體力學（Computational Fluid Dynam ics，CFD）已經(jīng)廣泛應用于汽車各方面的模擬，也包括對汽車噪聲污染的研究，相對于傳統(tǒng)研究方法，其具有以下優(yōu)點：可以代替難以實施的試驗、節(jié)省研發(fā)經(jīng)費，更加快捷，且準確性也可以得到保證[5]。文獻[1]運用 GT-power軟件建立發(fā)動機系統(tǒng)仿真模型，分析進排氣管長度對于發(fā)動機充氣效率的影響[6]；文獻[2]采用GT-power軟件對某汽油機進排氣口噪聲進行了模型計算，得到管口處的聲學特性，并進行了該發(fā)動機進氣口處的噪聲試驗，以驗證進氣口噪聲模擬計算結(jié)果[7]；文獻[3]利用三維建模軟件UG建立仿真計算所需的幾何模型，用Fluent軟件對發(fā)動機的進排氣系統(tǒng)進行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，得到其內(nèi)部的壓力場、速度場和湍動能場的分布[8]。

文中以CFD為基礎(chǔ)，使用流體數(shù)值模擬軟件STAR-CCM+對某發(fā)動機排氣系統(tǒng)空氣動力學性能進行模擬分析，研究其內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)，重點考察氣體流動均勻性，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出改進意見，盡可能減小排氣系統(tǒng)噪聲。

1 數(shù)值模擬計算

1.1 模型的建立

仿真模型來自某車型排氣系統(tǒng)的三維CAD模型。為了節(jié)約計算成本和時間，在確保計算結(jié)果正確可靠的前提下，對模型進行了一些簡化。由于主要目的是研究排氣系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的情況，所以忽略一些外部特征，例如彈簧等外凸裝置以簡單的曲面代替，其他對計算結(jié)果有重要影響的部位盡量保留下來。接下來將 CAD模型導入Hypermesh中進行簡化并且劃分面網(wǎng)格，再將面網(wǎng)格導入Tgrid中劃分體網(wǎng)格。模型表面附近生成5層網(wǎng)格以計算附面層的影響，其余區(qū)域使用四面體網(wǎng)格，經(jīng)過處理后的模型如圖1所示。

1.2 計算參數(shù)和邊界條件

1.2.1 計算參數(shù)設(shè)置

為了提高計算的精確性，仿真計算采用Realizable K-epsilon湍流模型，適用于涉及快速應變、中等渦、局部轉(zhuǎn)捩的復雜剪切流動（如邊界層分離、塊狀分離、渦的后臺階分離、室內(nèi)通風等），空間離散采用二階迎風差分格式。迭代方式采用Simple算法，這種算法是計算不可壓流場的主要方法[9]。

1.2.2 邊界條件設(shè)置

為了更好地研究分析發(fā)動機排氣系統(tǒng)中的流場情況，將排氣歧管的4個入口進行編號1、2、3、4，每次只打開其中1個入口而關(guān)閉其他3個入口，進行4次模擬，如圖2所示。

實驗測得計算域入口質(zhì)量流量為 0.090 1 kg/s，觀察不同入口的氣流影響。每次模擬的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

1.3 排氣系統(tǒng)噪聲分析

發(fā)動機排氣系統(tǒng)內(nèi)部流場情況復雜，單從一個方面考慮難以全面地了解其內(nèi)部噪聲情況，文中主要通過催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流動均勻性分析、消音器及尾管流動噪聲來進行考慮。

1.3.1 流動均勻性分析

氣體流動均勻性是指氣體的物理特性在空間各點的測量結(jié)果相同的程度。在發(fā)動機排氣系統(tǒng)中，氣體流動均勻性越差，流動越不穩(wěn)定，越容易產(chǎn)生湍流，相對地噪聲也就越大。利用STAR-CCM+軟件可以得到發(fā)動機排氣系統(tǒng)中的流場流動均勻性，從而來評價發(fā)動機排氣系統(tǒng)噪聲。發(fā)動機排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體流動均勻性和噪聲緊密相關(guān)，要研究各種因素對流動均勻性的影響，必須對流動均勻性給出合理的評判標準，以便找出改善載體流動特性的有效辦法。Wendland和Matthes[10]曾用不均勻性指數(shù)研究了載體的流動問題，定義不均勻性指數(shù)

其中，wpeak、wmean分別為截面最大速度和平均速度。這種定義的好處是簡單方便，但是只反映了極值點的流動均勻性，文中采用 Weltens[11]等人定義的氣體流動均勻性

其中，wi為節(jié)點單元的速度；wmean為平均速度。

n為指定面上的節(jié)點單元數(shù)目。顯然，這里用均方差定義的均勻性指數(shù)能夠更加合理、全面地反映整個載體截面的流動分布特性。

在前級催化轉(zhuǎn)化器中間面取一個截面，通過觀察該截面上的流動均勻性來評估前級載體流動均勻性，在后級催化轉(zhuǎn)化器中間面取一個截面，通過觀察該截面上的流動均勻性來評估后級載體流動均勻性。當流動均勻性值較小時，認為其流動均勻性比較差，產(chǎn)生較大的噪聲；當流動均勻性值較大時，認為其流動均勻性較好，該部位噪聲較小,通過仿真得到的載體流動均勻性如圖3。

由圖 3中可以看出，前級載體的流動均勻性為0.96，而后級載體流動均勻性為0.89。相對地，在前級部分氣流流動比較均勻，不容易產(chǎn)生渦流，從而前級產(chǎn)生的噪聲也相對較小，后級流動均勻性較差，流動相對不均勻，氣流在這個部分容易產(chǎn)生渦流，相對地噪聲也較大。

1.3.2 內(nèi)部流線圖分析

分析其流動均勻性只能定性地評估排氣系統(tǒng)的噪聲情況。在STAR-CCM+繪制出氣體流線圖，可以通過流線圖來具體觀察排氣系統(tǒng)內(nèi)氣流運動情況，這種方式較為直觀，分別打開 4個入口中的1個而關(guān)閉其他3個，通過氣體流線圖來分析消音器及尾管流動噪聲。

將4個排氣歧管分別編號，當只打開入口1，關(guān)閉其他3個入口時，得到如圖4所示的內(nèi)部流線圖。

從圖4可以看出，歧管入口1排出的廢氣在排氣管中內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產(chǎn)生；后級催化轉(zhuǎn)化器進口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動阻力增加。

當只打開入口2，關(guān)閉其他3個入口時，得到如圖5所示的內(nèi)部流線圖。

從圖5中可以看出，歧管入口2排出的廢氣在排氣管內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產(chǎn)生。

圖 6顯示，后級催化轉(zhuǎn)化器進口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動阻力增加；歧管內(nèi)產(chǎn)生紊亂的渦流，造成歧管流動阻力增加。

當只打開入口3，關(guān)閉其他3個入口時，得到如圖7所示的內(nèi)部流線圖。

從圖7中可以看出，歧管入口3排出的廢氣在排氣管內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產(chǎn)生；而后級催化轉(zhuǎn)化器進口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動阻力增加；圖中圓圈處折轉(zhuǎn)角較為急劇，增加流動阻力；歧管內(nèi)產(chǎn)生紊亂的渦流，造成歧管流動阻力增加。

當只打開入口4，關(guān)閉其他3個入口時，得到如圖8所示的內(nèi)部流線圖。

從圖8中可以看出，歧管入口4排出的廢氣在排氣管內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產(chǎn)生；而后級催化轉(zhuǎn)化器進口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動阻力增加；歧管內(nèi)產(chǎn)生紊亂的渦流，造成歧管流動阻力增加。

在氣流流動較為通順的區(qū)域，沒有旋流產(chǎn)生，相對噪聲較小，而在產(chǎn)生紊亂渦流的區(qū)域，由于流動阻力的增加，也會相應產(chǎn)生流動噪聲。

1.3.3 總結(jié)

通過對流體流動均勻性和內(nèi)部流線圖的分析可以看出：前級催化轉(zhuǎn)化器的流動均勻性平均值為 0.96，流動均勻性良好，后級催化轉(zhuǎn)化器流動均勻性平均值為0.89，相比前級會產(chǎn)生較大噪聲；歧管以及后級催化轉(zhuǎn)化器進口錐有渦流產(chǎn)生，會造成局部流通阻力增加；后級催化轉(zhuǎn)化器載體內(nèi)高速區(qū)域低于指標，表明載體有效利用面積略少。

2 優(yōu)化方案

根據(jù)分析得到的結(jié)論，該排氣系統(tǒng)總體噪聲情況較好，但應對一些部位進行改動以進一步減小流動噪聲。

該系統(tǒng)后級載體流動均勻性以及高速區(qū)域值較差，并且后級載體進口錐段內(nèi)產(chǎn)生渦流，均易產(chǎn)生流動噪聲。根據(jù)以上分析提出以下建議。

方案1，增大圖9中所示的排氣管的管徑。

在流線圖的分析中可以看出此處的管徑較小，氣體轉(zhuǎn)角較為劇烈，通過此處的流動阻力較大，從而產(chǎn)生流動噪聲。可以增大此處管徑，使氣流平穩(wěn)通過，以減小氣流噪聲。

方案2，后級催化轉(zhuǎn)化器選用直徑略小的載體。

跟方案 1相似，氣流從排氣管進入后級催化轉(zhuǎn)化器時，所經(jīng)過的轉(zhuǎn)角較大?？梢栽诓桓淖児軓降那闆r下，后級催化轉(zhuǎn)化器選用直徑略小的載體，也可以起到減小流動阻力的效果。

方案1和方案2都是為了使氣流在后級催化轉(zhuǎn)化器處能平穩(wěn)通過，采用不同方式來減小流動阻力，從而達到抑制流動噪聲的目的。

3 結(jié) 論

1）通過對汽車排氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬計算，得到計算域內(nèi)流場分布，分析其內(nèi)部流場特性和氣動阻力產(chǎn)生的原因。

2）分別考察催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)流動均勻性和打開不同歧管入口時消音器及尾管內(nèi)部流線圖，具體研究分析了噪聲產(chǎn)生的部位和原因。

3）分析表明后級催化轉(zhuǎn)化器進口處易產(chǎn)生渦流從而產(chǎn)生流動噪聲，根據(jù)分析結(jié)果提出 2種改進方案以達到減小噪聲的目的。

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