基于COMSOL的某輕型貨車(chē)排氣消聲器設(shè)計(jì)

葛曹鵬，徐曉美，朱中輝

（南京林業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，南京 210037）

0 引言

目前消聲器的研究方法主要有：B.E.M設(shè)計(jì)（邊界元法）或F.E.M（有限元法），傳遞矩陣方程，特征值法等。相關(guān)研究表明，消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅用一維平面波檢測(cè)會(huì)有較大誤差，必須采用二維乃至三維的平面波檢測(cè)方法。為此，近些年來(lái)基于多物理場(chǎng)開(kāi)發(fā)的有限元軟件COMSOL在消聲器研究領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的運(yùn)用。王鍵等人利用COMSOL軟件對(duì)不同的消聲器模型進(jìn)行了仿真研究，研究發(fā)現(xiàn)消聲器的擴(kuò)張比、穿孔系數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器性能影響明顯[1]。牛凱強(qiáng)等利用傳遞矩陣法和COMSOL軟件對(duì)擴(kuò)張腔消聲器進(jìn)行了有限元分析，研究表明消聲器的擴(kuò)張腔體長(zhǎng)度對(duì)消聲頻率的大小有影響[2]。曾建邦等利用COMSOL軟件模擬了穿孔消聲器內(nèi)聲波傳播過(guò)程[3]。

為加快消聲器的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)程，提出了一種基于正交優(yōu)化設(shè)計(jì)思想和COMSOL軟件的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器設(shè)計(jì)方法，并開(kāi)展了相應(yīng)的仿真分析和正交優(yōu)化研究。

1 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 消聲器容積的選擇

消聲器容積的選擇非常重要。消聲器的容積過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)功率損失過(guò)大，消聲效果下降；如果容積過(guò)大，雖然具有消聲量大、阻力損失小等優(yōu)點(diǎn)，但安裝不便，且浪費(fèi)材料。消聲器的容積可根據(jù)Thomas推薦的內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器容積計(jì)算式[4]初步確定。

式中，Q為常數(shù)，其取值范圍為5～6；Vh為內(nèi)燃機(jī)排量，即工作容積，單位為L(zhǎng)；n為內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定功率轉(zhuǎn)速，單位為r/min；i為內(nèi)燃機(jī)氣缸數(shù)；τ為內(nèi)燃機(jī)沖 程數(shù)。

某輕型貨車(chē)配置的四缸四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作容積為3.707L，額定轉(zhuǎn)速為3200rpm，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管直徑為54mm。根據(jù)式(1)可得到消聲器的容積范圍為（14.828～17.794）L，初步選為Ve=16L。

1.2 消聲器擴(kuò)張比的選擇

消聲器的擴(kuò)張比M是指消聲器擴(kuò)張腔與原管道截面積之比。消聲器的消聲量隨擴(kuò)張比的增大而增大。增大擴(kuò)張比有兩種方法，一種是縮小消聲器入口或出口管直徑，另一種是增大消聲器擴(kuò)張腔直徑。消聲器出口管的直徑不能小于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管出口或排氣道口的直徑，否則會(huì)增大排氣背壓，增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失，同時(shí)也會(huì)加快排氣流速，激發(fā)再生噪聲，從而影響消聲器的實(shí)際消聲效果。此外，消聲器的外形尺寸因受安裝位置限制也不能過(guò)大，且消聲器外殼直徑增大會(huì)降低其上限失效頻率。因此，消聲器的擴(kuò)張比宜在5～16范圍內(nèi)選取。本文消聲器的擴(kuò)張比初選為13。

1.3 消聲器外形尺寸確定

為了使消聲器具有較好的消聲效果，消聲器外形宜采用圓柱形[3]。由此，根據(jù)消聲器的容積可算出消聲器的總長(zhǎng)L為535.7mm，考慮到設(shè)計(jì)時(shí)的誤差，取整為540mm。消聲器排氣管直徑在此取與進(jìn)氣管直徑相等。

1.4 消聲器其他結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

單個(gè)擴(kuò)張腔很難滿(mǎn)足消聲器消聲量的要求，為此消聲器多為多個(gè)擴(kuò)張腔用穿孔管和穿孔板連接起來(lái)的多腔消聲器。一般而言，消聲器腔數(shù)越多消聲量越大，且高頻消聲效果越好。但是消聲器的消聲量并不隨擴(kuò)張腔數(shù)的增加成比例增加，五腔以上的消聲器消聲效果改善就不明顯了，因此一般消聲器的消聲腔宜選取2～5個(gè)。對(duì)于輕型貨車(chē)，其消聲器基本采用四腔或五腔。本文選用四腔抗性消聲器。

消聲器的腔數(shù)、總長(zhǎng)確定后，如何分配各腔的長(zhǎng)度，尤其是第一腔的長(zhǎng)度Ll十分重要。第一腔承擔(dān)著消聲器的主要消聲性能和緩沖高溫高速脈沖氣流的任務(wù)。文獻(xiàn)[6]指出，第一腔的設(shè)計(jì)容積應(yīng)該不小于內(nèi)燃機(jī)排量Vh的1～3倍。經(jīng)計(jì)算可得第一腔容積范圍為（3.707～11.121）L，第一腔的長(zhǎng)度L1=147～442mm，初選為L(zhǎng)1=180mm。第一腔長(zhǎng)度L1確定之后，根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的設(shè)計(jì)計(jì)算式，可得第二腔長(zhǎng)度L2=L1/2=90mm。第三腔和第一腔長(zhǎng)度相等，L3=L1=180mm，第四腔和第二腔長(zhǎng)度相等，L4=L2=90mm。

為使進(jìn)入消聲器的氣流盡可能多地走更多的回路，消聲器的進(jìn)、排氣管布置均采用偏置對(duì)稱(chēng)分布，如圖1所示。進(jìn)、排氣管上的穿孔區(qū)域1和穿孔區(qū)域2分別長(zhǎng)60mm和50mm，孔徑d1=2mm，穿孔率均為5%，穿孔位置如圖1所示。三個(gè)內(nèi)隔板上均穿孔，圓形穿孔區(qū)域3和4的直徑均為50mm，孔徑d2=4mm，穿孔率均為10%，穿孔位置如圖1所示。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 傳聲損失單一因素影響研究

基于所設(shè)計(jì)的消聲器結(jié)構(gòu)，在COMSOL軟件中建立其聲學(xué)分析模型，并研究單一結(jié)構(gòu)因素對(duì)消聲器傳聲損失的影響。

2.1 聲學(xué)模型構(gòu)建

圖2是在COMSOL軟件中建立的消聲器有限元模型，其聲學(xué)傳遞損失如圖3所示。

圖2 消聲器有限元模型

圖3 消聲器的傳聲損失

圖3給出了消聲器在0～1500Hz范圍內(nèi)的傳聲損失，當(dāng)頻率在400Hz～550Hz時(shí)，消聲器的消聲效果較差，且在200Hz及1000Hz左右會(huì)出現(xiàn)一個(gè)谷值，但在大部分頻段都有很好的消聲效果，尤其在600Hz～800Hz和1200Hz～1400Hz時(shí)較好，平均傳聲損失大于25dB。

2.2 傳聲損失單一因素影響研究

2.2.1 穿孔率的影響

不改變消聲器的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，只改變內(nèi)隔板上的穿孔率，使其分別為5%、10%、15%，得到消聲器在不同穿孔率下的傳聲損失圖，如圖4所示。由圖4可以看出，內(nèi)隔板的穿孔率越高，消聲器的傳聲損失量越低，但減少的幅度逐漸減小說(shuō)明當(dāng)穿孔率增大到一定程度時(shí)，聲波在消聲器內(nèi)的傳播方式將不再受限于穿孔率，而取決于消聲器的其他幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.2.2 穿孔直徑的影響

圖4 穿孔率對(duì)傳聲損失的影響

不改變其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)消聲器內(nèi)隔板穿孔率為10%，穿孔直徑分別取為2mm、6mm、10mm，可得相應(yīng)的消聲器傳聲損失如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)頻率低于500Hz時(shí)，隨著穿孔直徑的增大，低頻聲波受到的干涉和反射減弱，消聲器的傳聲損失隨之減??；當(dāng)頻率大于500Hz時(shí)，隨著穿孔直徑的增大，傳聲損失總體上呈增大趨勢(shì)。

圖5 穿孔直徑對(duì)傳聲損失的影響

2.2.3 穿孔位置的影響

不改變以上兩種參數(shù)，只改變進(jìn)氣管的穿孔位置，將進(jìn)氣管的穿孔位置從距離進(jìn)氣口250mm分別向前移動(dòng)40mm，向后移動(dòng)40mm，得到的傳遞損失圖如圖6所示。由圖6可以看出，當(dāng)穿孔位置遠(yuǎn)離進(jìn)氣管口時(shí)，其中、高頻段的消聲效果更好。

圖6 穿孔位置對(duì)傳聲損失的影響

2.2.4 擴(kuò)張比的影響

為探究擴(kuò)張比對(duì)傳聲損失的影響，可改變各個(gè)腔室的容積大小，將對(duì)應(yīng)的擴(kuò)張比M改為11、15，此時(shí)消聲器的直徑D為179mm、209mm，在COMSOL中建模并計(jì)算分析，可得其傳聲損失如圖7所示。由圖7可以看出，增大消聲器的擴(kuò)張比，可以明顯提高消聲器的消聲性能，但在某些頻段，如900Hz～1000Hz，因受其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，大的擴(kuò)張比反而使消聲器的傳聲損失變小。為此，應(yīng)對(duì)消聲器的傳聲損失開(kāi)展多因素影響分析。

圖7 擴(kuò)張比對(duì)傳聲損失的影響

3 傳聲損失多因素正交優(yōu)化研究

對(duì)于現(xiàn)有消聲器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)正交試驗(yàn)原理[7,8]，基于COMSOL軟件開(kāi)展消聲器的多因素正交優(yōu)化試驗(yàn)研究。所選取的優(yōu)化因素為內(nèi)隔板上的穿孔率、穿孔直徑、進(jìn)氣管上的穿孔位置以及擴(kuò)張比，根據(jù)相關(guān)因素取值繪制其因素水平表，如表1所示。

表1 因素水平表

基于表1的參數(shù)組合，利用COMSOL軟件計(jì)算出消聲器的平均傳聲損失。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別算出消聲器各因素所在列中相應(yīng)因素水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)之和Kj以及各因素的極差R，并按照極差大小對(duì)影響因素進(jìn)行排序，其結(jié)果如表2所示。

表2 正交優(yōu)化表及結(jié)果分析

表2（續(xù)）

由表2可知，對(duì)消聲器傳聲損失影響最大的因素是進(jìn)氣管上的穿孔位置，其次是擴(kuò)張比，然后是內(nèi)隔板穿孔率，最后是內(nèi)隔板穿孔直徑。總結(jié)上述多項(xiàng)因素，比較同一因素下Kj的1/3的大小，選取較大的水平值，得到消聲器的較優(yōu)方案參數(shù)為：消聲器內(nèi)徑為209mm，擴(kuò)張比M=15，內(nèi)隔板穿孔直徑d2=10mm，內(nèi)隔板穿孔率為5%，進(jìn)氣管上的穿孔位置與初始設(shè)計(jì)值保持一致。

圖8是優(yōu)化前后的消聲器傳聲損失對(duì)比。對(duì)比優(yōu)化前和優(yōu)化后的傳聲損失曲線(xiàn)可見(jiàn)，雖然優(yōu)化后的消聲器在300Hz～400Hz范圍內(nèi)的傳聲損失變小了，但其在400Hz～1200Hz的較寬頻率范圍內(nèi)均能獲得較高的傳聲損失，其平均傳聲損失約為32dB。

4 結(jié)語(yǔ)

1）消聲器傳聲損失單因素分析表明，內(nèi)隔板上的穿孔率和穿孔直徑，以及消聲器的擴(kuò)張比都對(duì)傳聲損失具有較明顯的影響。

圖8 優(yōu)化前后消聲器傳聲損失對(duì)比

2）正交優(yōu)化后的消聲器結(jié)構(gòu)具有較好的消聲能力，優(yōu)化后的消聲器平均傳聲損失約為32dB。