小型柴油機(jī)消聲器設(shè)計(jì)仿真分析

熊文清，劉夫云，詹德朗，黃雪瑤

小型柴油機(jī)消聲器設(shè)計(jì)仿真分析

熊文清，劉夫云，詹德朗，黃雪瑤

（桂林電子科技大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林541004）

針對(duì)小型柴油機(jī)噪聲大的問題，設(shè)計(jì)了一款消聲器，并對(duì)其進(jìn)行三維實(shí)體建模，然后通過Fluent流體仿真軟件對(duì)消聲器進(jìn)行有限元分析，仿真了此款消聲器的各項(xiàng)工作性能，最后用Virtual.Lab軟件仿真得到其傳遞損失曲線，得到其在不同頻率下的消聲量，仿真結(jié)果證明此款消聲器各個(gè)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

消聲器；Fluent；有限元仿真

目前，在我國(guó)農(nóng)村小型柴油機(jī)被普遍應(yīng)用在拖拉機(jī)、三輪農(nóng)用運(yùn)輸車、機(jī)械插秧、發(fā)電機(jī)等機(jī)械設(shè)備上，它具有體積小，重量輕，運(yùn)轉(zhuǎn)平衡、工作可靠、使用維護(hù)方便等等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)用機(jī)械最理想的動(dòng)力源，也是使用最多，應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力機(jī)械。但是在使用過程中產(chǎn)生的噪聲會(huì)給人們帶來很多困擾，特別是小型發(fā)電機(jī)對(duì)周邊的影響更大[1-3]。因此本文針對(duì)某典型發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款消聲器，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。

1 消聲器各參數(shù)的設(shè)計(jì)

表1為此發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。

表1 某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的原有消聲器形狀可知，此方案設(shè)計(jì)采用與原消聲器容積保持一致，如果四腔消聲器設(shè)計(jì)成圓柱狀的外形，腔體體積較小，達(dá)不到很好的消聲效果，所以采取長(zhǎng)方體可首尾相接的外形的方法來設(shè)計(jì)。這樣既符合安裝實(shí)際情況，也會(huì)有相對(duì)較好的消聲效果。根據(jù)原有消聲器計(jì)算得到的此新型消聲器的參數(shù)為：

（5）由經(jīng)驗(yàn)公式可設(shè)計(jì)，第一腔室進(jìn)口管插入長(zhǎng)度為20 mm，出口管入15 mm，第二腔插入管在二腔室的長(zhǎng)度為42.5 mm，在第三腔室長(zhǎng)度為15 mm，第三腔室的插入管在三腔室插入42.5 mm，出口管插入深度為15 mm，第四腔室進(jìn)口管插入的長(zhǎng)度為42.5 mm，出口管插入的長(zhǎng)度為15 mm.

2 消聲器模型的建立

四腔阻性消聲器工作原理：簡(jiǎn)單來說就是內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣通過與發(fā)動(dòng)機(jī)連接的法蘭管進(jìn)入進(jìn)氣口管，第一步先達(dá)到第一腔室，再經(jīng)過兩跟短插入管進(jìn)入第二腔室，到達(dá)第二腔室后接著就流到第三腔室，到達(dá)第三腔室后也是通過兩根短插入管流到第四腔室，到第四腔室后通過排氣管排到大氣中，取得較好的消聲效果。三維模型如圖1所示。并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖2所示，網(wǎng)格劃分完成后，導(dǎo)出網(wǎng)格到ANSYS FLUENT中進(jìn)行相關(guān)分析[4-5]。

圖2 四腔消聲器網(wǎng)格圖

3 基于Fluent的消聲器有限元結(jié)果分析

1）添加邊界條件

參考實(shí)際工況以及經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，得出消聲器的邊界條件。統(tǒng)一設(shè)進(jìn)入進(jìn)氣口廢氣的速度：v=60 m/s，溫度：t=300℃，出口壓力P＝0 MPa.因?yàn)橄暺鞴ぷ鲿r(shí)主要是通過外腔把熱量散發(fā)到外面，因此就將外腔壁面的溫度設(shè)置為300℃，剩下的壁面都設(shè)置成絕熱的。

2）仿真結(jié)果展示

圖3為四腔消聲器流體速度矢量分布圖，圖4為四腔消聲器的三維流線圖。從圖中可清楚的看出氣體以60 m/s左右的速度流入第一腔室，經(jīng)過兩個(gè)插入管流到第二腔室，再經(jīng)過兩個(gè)插入管進(jìn)入到第三腔室，此時(shí)的廢氣速度已經(jīng)減弱得較多，到達(dá)第四腔室再通過排氣管流到大氣中。在這過程中廢氣的流向達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是第三腔室與第四腔室出現(xiàn)有局部漩渦狀氣流。

圖3 四腔消聲器流體速度矢量分布圖

圖4 四腔消聲器的三維流線圖

下面圖5、圖6為四腔消聲器靜壓力分布圖與壓力損失量的截圖。

圖5 四腔消聲器壓力分布圖

圖6 四腔消聲器進(jìn)出口壓力值

四腔消聲器壓力損失約為3 484 Pa.壓力損失的大小基本可與腔體內(nèi)阻力的大小對(duì)等，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 基于Virtual.Lab的消聲器有限元分析

最后利用Virtual.Lab聲學(xué)仿真軟件對(duì)四腔消聲器進(jìn)行傳遞損失分析，得到四腔消聲器的傳遞損失曲線[6]，結(jié)果如圖7所示。

圖7 四腔消聲器壓力損失曲線

圖7 顯示了頻率在區(qū)間內(nèi)四腔消聲器的消聲量，可看出曲線在1 000 Hz附近的消聲量最大，說明在1 000 Hz附近消聲效果最好。在時(shí)突然下降，直到2 300 Hz才緩慢回升，說明在范圍內(nèi)消聲器對(duì)噪聲的消聲效果不是很好。

5 結(jié)論

本文在設(shè)計(jì)了一款四腔消聲器的基礎(chǔ)上，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模，有限元仿真。得到仿真結(jié)果后對(duì)消聲器的速度，壓力，溫度等方面進(jìn)行分析，綜合綜合得出此款消聲器各個(gè)性能參數(shù)都能滿足設(shè)計(jì)要求。

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Simulation Analysis of Muffler Design for Small Diesel Engine

XIONG Wen-qing，LIU Fu-yun，ZHAN De-lang，HUANG Xue-yao
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

In this paper，a muffler is designed and a three-dimensional solid model is designed，and then the finite element analysis of the muffler is carried out by fluent fluid simulation software.The performance of the muffler is simulated.Finally，Virtual.Lab software simulation to get its transmission loss curve，get its different frequencies in the muffler，the simulation results show that the muffler each parameter to meet the design requirements.

muffler；fluent；finite element simulate

TP391.9

A

1672-545X（2017）07-0020-03

2017-04-18

1.廣西大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目201510595133；2.柳州市科技計(jì)劃項(xiàng)目2015A010501

熊文清（1995-），男，廣西桂林人，本科，工程師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及制造。