基于Ansys CFX的消聲器內部流場模擬分析

劉全美　王杰　莫壽存　陳萌

摘 要：汽車尾氣在消聲器中流動是屬于流體流動的問題，有效分析汽車尾氣在復合式消聲器內部的流動情況，有利于對消聲器的性能進行評價。為了設計高效的汽車消聲器，該文利用Ansys CFX模擬計算消聲器內部流場，消聲器的進氣端壓力較高，所以造成其壓力損失較高，使得能量損失增加，空氣動力性能有所下降，但仍然在合理的范圍內。

關鍵詞：Ansys CFX模擬計算 消聲器 模擬分析

中圖分類號：TH3 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（a）-0100-02

汽車尾氣在消聲器中流動是屬于流體流動的問題，有效分析汽車尾氣在復合式消聲器內部的流動情況，有利于對消聲器的性能進行評價。故該文利用Ansys CFX軟件對消聲器內部流場進行了模擬分析。

1 仿真目的與過程

（1）發(fā)動機在日常使用中，衡量消聲器在空氣中動力性的唯一一個指標就是通過監(jiān)測發(fā)動機的功率損失，但是，在實際的工作狀態(tài)下，仿真分析不能夠模擬排氣系統(tǒng)的工作，所以通過消聲器的壓力損失來衡量[1]。

（2）仿真過程。

①物理模型的建立。

②在ICEM CFD中劃分網(wǎng)格。

③在CFX-Pre中設置求解條件。

④在CFX-Solver中求解。

⑤在CFX-post中查看仿真結果。

2 消聲器物理模型的建立

在Catia中建立復合式消聲器的物理模型，由于只需模擬消聲器內部的流場，其外部結構對內部流場無影響，所以將消聲器殼體進行合理簡化，三維模型建立好之后將文件保存為stp格式，再導入網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD進行網(wǎng)格的劃分。

2.1 消聲器網(wǎng)格模型的生成

為了進行消聲器流場的仿真模擬，該文采用四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格相結合的混合網(wǎng)格模型進行劃分，并且在邊界采用三棱柱邊界層網(wǎng)格，這樣可以達到精度要求，同時減少計算量，提高計算的速度。消聲器劃分好的網(wǎng)格總數(shù)為1 694 320，復合式消聲器劃分好的網(wǎng)格總數(shù)為1 734 420。

2.2 利用CFX求解

首先將劃分好的網(wǎng)格模型導入CFX-pre中設置求解條件，我們可以認為在消聲器的內部，流體流動是均勻并且連續(xù)的，該文將速度入口作為入口邊界條件，同時將壓力出口作為出口的邊界條件。具體的求解過程如下所示。

（1）排氣消聲器的數(shù)值仿真分析流體材料：排氣在消聲器內的氣體溫度一般為200 ℃。

（2）湍流模型：為了求解質量守恒、動量守恒和能量守恒方程，該文中選用標準的模型，即經(jīng)過經(jīng)驗驗證的k-ε模型。

（3）壁面邊界條件非振動：沒有滑移的，這相當于流體在壁面上的速度為0。一般氣體在消聲器中的流速在20～60 m/s[2]，在該文的研究中入口速度邊界條件為40 m/s，進氣溫度為150 ℃，出口絕對壓強為標準大氣壓，即相對壓強為0 Pa。

3 仿真結果分析

該文對消聲器進行了流場仿真分析，可以清晰地觀察出消聲器的溫度、速度和壓力流場分布圖，并計算出其壓力損失，從而更好地評價其空氣動力特性。

3.1 溫度場

溫度不僅能夠改變消聲器內部的流體屬性，還可以改變其中聲音的傳播速度，能夠影響各個特征的消聲單元對主要頻段的噪聲降低、消聲器進出氣管和壁面的溫度場分布。隨著消聲器內部氣流流動方向，內部溫度有一定的變化，由于消聲器壁面散熱，因此隨著氣流的方向溫度減?。桓邷貧饬鲝臍飧字苯舆M入進氣管，進氣管入口溫度423 K；腔體內部由于等離子體和直通管上穿孔結構的存在使得腔體局部的溫度有所升高；排氣口溫度大約為370 K，其進出口溫度差為53 K；消聲器內部各腔溫度分布有一定的變化，若在進行聲學性能分析時采用相同的溫度進行分析，勢必會無法準確得到消聲器聲學性能，因此準確的溫度分布為準確分析消聲器性能打下了基礎。

3.2 速度場

消聲器內部流體流速對消聲器性能的影響主要體現(xiàn)在：第一，流速會影響聲音的傳播與衰減；第二，流速是消聲器內部流體噪聲產生的主要原因[3]。流速對聲音傳播的影響主要有：改變聲音傳播的波長。當流體速度與聲波傳播方向相同時，減小了聲波的衰減量，使得消聲量減??；相反，可以增加消聲器的消聲量。因此在消聲器設計時，為了得到較好的聲學性能，會采用一些回流結構使聲波傳播方向與流速方向相反，但回流、碰撞容易引起湍流，湍流是流體再生噪聲產生的主要原因，也會增大消聲器的動能損失，影響其空氣動力性能。因此在設計消聲器時要綜合權衡這些因素。消聲器進氣管流入的氣流只有小部分通過進氣管位于第一腔內的小孔直接流入第一腔，大部分氣流會流到第二腔和第三腔。之后又有氣流通過緩沖管流入消聲器的第一腔。正是由于這些漩渦和氣體的回流，使得抗式消聲器發(fā)揮其作用，從而降低了噪聲量。發(fā)動機將進氣流速達到40 m/s排氣通過右側的進氣管進入到氣速，流體在流動的過程中，會依次通過一、二、三腔，第一腔由于進入的流體比較少，所以流速也比較低；進入第二腔的流體由于流速的梯度變化很大，所以流速加快，流體通過撞擊隔板形成回流。在流體通過前兩腔，一部分氣流會進入到腔體的里面，由于穿孔率很小，使小孔的周圍集中了很多的氣流，增加了流速。消聲器的進口和出口的管徑大小相同，所以進出口的流速也是相同的。

3.3 壓力場

在發(fā)動機整機上，排氣消聲器的功率損失是衡量復雜排氣消聲器空氣動力性能的主要指標，然而在消聲器仿真分析中，常常是通過壓力損失評價這一性能指標。消聲器壓力損失主要由局部壓力損失與沿程摩擦壓力損失組成，同時消聲器內部壓力的大小還與流體中的湍流等因素有關，因為湍流通常發(fā)生在流體旋轉、回流、碰撞處，這些都是造成壓力損失的原因。在直通管中，沿著流體流動的方向，壓力不斷減小，這主要是由于沿程摩擦損失引起的；在各個腔之間壓力變化較大，主要是由于局部壓力損失引起的。消聲器進氣端壓力約為1 870 Pa，出氣端壓力約為162 Pa。從消聲器整體分析壓力損失，由于消聲器結構多采用共振腔、直通管，而避免使用擴張等形式的消聲單元，因此壓力損失較小為1 870-162=1 708 Pa。

4 結語

該文對消聲器進行了建模與網(wǎng)格劃分，并利用Ansys CFX對消聲器內部的空氣流動情況進行了模擬仿真。對比分析其結果可得知，消聲器的進氣端壓力較高，所以造成其壓力損失較高，使得能量損失增加，空氣動力性能有所下降，但仍然在合理的范圍內。

參考文獻

[1] 趙世舉.排氣消聲器壓力損失仿真與試驗研究[D].重慶大學，2010.

[2] 李以農，路明，鄭蕾，等.汽車排氣消聲器內部流場及溫度場的數(shù)值計[J].重慶大學學報：自然科學版，2008，31（10）：1094-1097.

[3] A. Selamet，N.S. Dickey，P.M. Radavich，et al.Theoretical Computational and Experimental Investigation of Helmholtz Resonators：One-Dimensional Versus Multi Dimensional Approach[R].International Congress and Exposition，1994.