抗性消聲器內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)傳遞損失的影響研究

唐 焱，趙立銘，孫銀銀，梁才航

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

1 引言

柴油機(jī)具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性，目前已廣泛應(yīng)用于各系列客車。數(shù)據(jù)表明柴油機(jī)排氣噪聲遠(yuǎn)大于汽油機(jī)，約占汽車總噪聲強(qiáng)度的33%，成為柴油車最大的噪聲源之一［1］，對(duì)乘員及用車環(huán)境造成嚴(yán)重影響。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)客車數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，高性能柴油機(jī)消聲器產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用成為業(yè)內(nèi)亟待解決的問(wèn)題。

柴油機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的高溫、高壓廢氣經(jīng)消聲器減噪排放的效率取決于內(nèi)部溫度、流速、氣壓場(chǎng)的變化，且消能過(guò)程形成的湍流和沖擊會(huì)導(dǎo)致硬件結(jié)構(gòu)振動(dòng)，產(chǎn)生再生噪聲，嚴(yán)重影響消聲器性能。受消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布的影響，通道內(nèi)溫度、流速、氣壓等場(chǎng)的變化十分復(fù)雜，實(shí)體試驗(yàn)研究成本高、周期長(zhǎng)［2］。故常用仿真試驗(yàn)的方法對(duì)柴油機(jī)排氣消聲器進(jìn)行數(shù)值仿真分析。傳遞損失是評(píng)價(jià)消聲器聲學(xué)特性的重要參數(shù)，在以往的消聲器傳遞損失計(jì)算過(guò)程中，將消聲器的內(nèi)部視為恒定不變的流場(chǎng)，忽略了消聲器流場(chǎng)變化以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其傳遞損失的影響，計(jì)算結(jié)果不精準(zhǔn)，導(dǎo)致消聲器的消聲性能出現(xiàn)錯(cuò)峰，消聲效果不佳，對(duì)消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化造成了很大的阻礙。聲波在傳播過(guò)程中各因素相互干擾，消聲器的內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)消聲器的傳遞損失影響不一，如果盲目的去提高消聲器的傳遞損失，反而會(huì)影響發(fā)功機(jī)的工作效率，造成資源浪費(fèi)。

實(shí)體消聲器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部氣體的流動(dòng)是三維非定常的。對(duì)于流場(chǎng)的變化，尤其是對(duì)壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布研究較少。鑒于此將借助流體FLUENT仿真軟件討論將CFD（Computational Fluid Dynamics）引入到排氣消聲器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，定量分析消聲器內(nèi)部流場(chǎng)的變化規(guī)律，并計(jì)算流場(chǎng)效應(yīng)下的消聲器傳遞損失，從而保證消聲器傳遞損失的精度和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)排氣消聲器內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，并將流場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)據(jù)映射到Vortual.Lab Acoustics當(dāng)中計(jì)算流場(chǎng)影響下的消聲器傳遞損失，尋找出對(duì)傳遞損失影響最大的因素，為消聲器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。來(lái)確定提高傳遞損失的方案。具體的技術(shù)路線圖，如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technical Roadmap

2 抗性消聲器模型建立

2.1 物理模型

抗性消聲器廣泛應(yīng)用于車用柴油機(jī)領(lǐng)域。其結(jié)構(gòu)無(wú)多孔吸聲材料，具有耐高溫、抗潮濕等屬性，適合流速大、潔凈要求高的降噪環(huán)境，本研究目標(biāo)消聲器采用經(jīng)典圓柱形三腔體結(jié)構(gòu)，物理模型，如圖2所示。幾何參數(shù)，如表1所示。

圖2 消聲器三維幾何模型Fig.2 Three-Dimensional Model of Muffler

表1 幾何參數(shù)（mm）Tab.1 Geometric Parameter（mm）

入口管穿越腔體外壁進(jìn)入第1腔，腔內(nèi)部分為入口插入管，插入管上有若干沿圓周均布直徑為5mm的穿孔，穿孔率15%；插入管末端與第1、2腔隔板相連封閉，入口氣流僅經(jīng)插入管小孔進(jìn)入第1腔。第2腔內(nèi)布置兩條內(nèi)管通道，其中長(zhǎng)內(nèi)管連通1、3腔，短內(nèi)管連通2、3腔。出口管貫穿腔外壁，第3腔內(nèi)部分為出口插入管，與第2、3腔隔板相連，端部不封閉，將2腔氣流排出消聲器外。

2.2 數(shù)學(xué)模型

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程消聲器內(nèi)部的流體密度變化較小，且因入口、出口處與外界貫通，局部氣體不可壓縮，因此采用建立k-ε雙方程模型方式進(jìn)行求解分析［3］。根據(jù)腔內(nèi)流體受質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等定律支配?？山⑷缦驴刂品匠蹋?/p>

（1）連續(xù)方程：

（2）動(dòng)量方程：

（3）湍流動(dòng)能方程：

⑷耗散率方程：

式中：u—速度矢量；ui—u沿x、y、z分量；ρ—密度；fi—微元體上體力；p—?jiǎng)菽埽籏—湍動(dòng)能；ε—耗散率；c1ε和c2ε—經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；σε、σk—k、ε對(duì)應(yīng)的Prandt1數(shù)。

采用勞德和斯伯爾汀常用推薦值［4］，如表2所示。

表2 k-ε模型中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Tab.2 Empirical Values of Model

2.3 材料屬性

材料選用304L不銹鋼，其力學(xué)性能參數(shù)，如表3所示。

表3 消聲器材料屬性Tab.3 Properties of Muffler Material

3 數(shù)值仿真試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

3.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)物理模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分是有限元分析計(jì)算的基礎(chǔ)，由于前處理軟件ICEM與ANSYS FLUENT有良好的兼容性，可最大程度減少模型轉(zhuǎn)化過(guò)程的數(shù)據(jù)丟失［5］；同時(shí)考慮消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式并對(duì)關(guān)鍵部分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加密。將UG環(huán)境建立的消聲器三維模型導(dǎo)入ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分生成圖，如圖3所示。生成網(wǎng)格數(shù)為622994，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為97456。

圖3 消聲器網(wǎng)格模型Fig.3 Muffler Mesh

對(duì)網(wǎng)格生成質(zhì)量的評(píng)估，如圖4所示。網(wǎng)格質(zhì)量顯示圖表明，其中最小網(wǎng)格質(zhì)量0.26，最大網(wǎng)格質(zhì)量0.99，平均網(wǎng)格質(zhì)量0.68＞0.2，能滿足FLUENT的計(jì)算要求。

圖4 消聲器網(wǎng)格質(zhì)量顯示圖Fig.4 Display Diagram of Grid Quality

3.2 空氣動(dòng)力學(xué)基本假設(shè)

充分考慮車用柴油機(jī)正常運(yùn)行廢氣排放具體環(huán)境狀況，作如下假設(shè)［6］：

（1）消聲器入口氣體流速為勻速，無(wú)脈沖氣流的影響；（2）流體為定常流動(dòng)中的湍流；（3）假定消聲器的物理參數(shù)是恒定不變的，同時(shí)不考慮重力的影響。

3.3 邊界條件

數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的邊界條件包括入口、出口、內(nèi)壁內(nèi)表面氣流參數(shù)。參閱目標(biāo)消聲器在大型客車柴油機(jī)上應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定邊界數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 邊界條件Tab.4 Boundary Condition

3.4 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

3.4.1 氣流速度場(chǎng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)排放從消聲器入口流入，經(jīng)入口插入管、型腔、連接管、出口插入管，從出口管流出。入口速度達(dá)80m/s高速時(shí)，氣流經(jīng)消聲器在y-z縱截面上氣流速度云圖，如圖4所示。有如下結(jié)論：（1）氣流入腔后流速較為均勻，總體變化緩和無(wú)劇變區(qū)，平均速度約60m/s；（2）氣流經(jīng)小孔的瞬時(shí)流速較大，速度值與孔徑及分布相關(guān)，出現(xiàn)噴射現(xiàn)象之后再次匯聚，并持續(xù)流動(dòng)［7］；（3）在通道截面突變處流速變化較為明顯，變化量與結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，變化規(guī)律復(fù)雜；（4）出口插管及出口附近流速增大，約為60m/s；（5）改變?nèi)肟诹魉俚南盗蟹抡嬖囼?yàn)表明，y-z縱截面上氣流速度云圖類似。

3.4.2 消聲器溫度場(chǎng)分析

入口廢氣溫度為700K時(shí)消聲器在y-z縱截面上溫度場(chǎng)云圖如圖6所示。消聲器總體溫度變化不大，溫度最高區(qū)出現(xiàn)在第2腔和出口管處。（1）表明氣流在第2腔集聚，流速較小，有渦流產(chǎn)生，散熱較慢，溫度梯度變化緩慢。（2）當(dāng)消聲器內(nèi)部溫度升高，腔體內(nèi)部的介質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)速率加快，聲音的傳播速度加快。（3）溫度增大，消聲器傳遞損失峰值頻率向著高頻移動(dòng)，但是傳遞損失最大值沒(méi)有改變［8］。（4）消聲器的出口管長(zhǎng)度對(duì)消聲器的溫度場(chǎng)有一定的影響，出口管越長(zhǎng)，溫度變化越明顯，在消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)上要著重考慮，否則，容易導(dǎo)致消聲頻率錯(cuò)位，消聲性能降低。

圖6 y-z截面溫度場(chǎng)云圖Fig.6 Temperature Distribution on y-z Section

3.4.3 內(nèi)部壓力場(chǎng)分析

在同等條件下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，獲得y-z縱截面上內(nèi)部壓力分布云圖，如圖7所示。入口插入管末端封閉，氣體在末端堆積形成靜壓，氣體經(jīng)過(guò)小孔進(jìn)入第1腔，因小孔阻礙了氣體流動(dòng)，造成壓力損失，1腔內(nèi)的壓力低于入口插入管內(nèi)壓力。1腔到3腔氣流運(yùn)動(dòng)受消聲器右側(cè)外壁阻擋，存在氣體堆積且形成渦流，渦流處氣體流動(dòng)較快，而遠(yuǎn)離渦流靠肩壁面的角落流速較慢，隨著氣體的堆積，造成第3腔下方靠近壁面角落處的壓力較大。云圖顯示消聲器內(nèi)部壓力整體呈下降趨勢(shì)，其中入口插入管末端壓力最大，出口管內(nèi)壓力最小，其壓力差值能反映消聲器在排氣順暢的前提下獲得優(yōu)化的降噪效果。

圖7 y-z截面壓力云圖Fig.7 Pressure Distribution on y-z Cross-Section

4 流場(chǎng)影響下的消聲器聲學(xué)特性研究

4.1 流場(chǎng)數(shù)據(jù)映射流程

傳統(tǒng)聲學(xué)計(jì)算以聲波在靜態(tài)介質(zhì)中傳播為基礎(chǔ)，若介質(zhì)流動(dòng)且流速數(shù)大于0.3馬赫，因流場(chǎng)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致聲音傳播特性發(fā)生明顯變化［9］，因此分析消聲器聲波傳遞損失必須考慮流場(chǎng)效應(yīng)對(duì)聲音傳播的影響。本研究借用上節(jié)ANSYS Fluent流場(chǎng)分析的網(wǎng)格數(shù)據(jù)結(jié)果，作為聲學(xué)分析的聲源。

首先將流場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)據(jù)以CGNS文件形式輸出，在LMS Virtual.Lab中將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能被Acoustic FEM識(shí)別的CATAnalysis文件，建立CFD網(wǎng)格上流場(chǎng)數(shù)據(jù)與聲學(xué)網(wǎng)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具體的數(shù)據(jù)傳輸，如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移映射流程Fig.8 Mapping Process of Grid Data Transfer

4.2 聲學(xué)傳遞導(dǎo)納理論

依據(jù)聲學(xué)有限元法計(jì)算消聲器傳遞損失時(shí)，由于入口插入管上存在均布小孔，導(dǎo)致局部有限元網(wǎng)格劃分困難，影響結(jié)論的可靠性。為解決該問(wèn)題，研究中采用在穿孔管兩邊的網(wǎng)格之間通過(guò)定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系，來(lái)模擬這些小孔［10］。

穿孔板兩側(cè)的聲壓和振動(dòng)速度可以通過(guò)傳遞導(dǎo)納關(guān)系來(lái)建立，用下列公式來(lái)表達(dá)：

式中：vn1，vn2—穿孔板兩側(cè)的法向振動(dòng)速度；p1，p2—穿孔板兩側(cè)的聲壓；α1，α2，α4，α5—傳遞導(dǎo)納系數(shù)（實(shí)驗(yàn)測(cè)得）；α3，α6—聲源引起的系數(shù)（消聲器中取0）。

穿孔板結(jié)構(gòu)示意圖，如圖9所示。

圖9 穿孔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic Diagram of the Perforated Plate Structure

當(dāng)穿孔板厚度l與孔半徑ɑ關(guān)系有l(wèi)?4ɑ時(shí)，阻抗的實(shí)部RP和虛部XP可以表示為：

式中：ε—穿孔板孔隙率；ω—角頻率；ɑ—孔半徑；d—孔中心距；τ—流體動(dòng)態(tài)粘性；ρ—流體密度；Δl—修正項(xiàng)。

目前消聲器圓孔排列方式有正方形排列和六邊形排列兩種方式，如圖10所示。

圖10 圓孔中心的排列Fig.10 Arrangement of The Center of The Hole

圖10（a）所示的正方形排列，穿孔率計(jì)算公式為：

修正項(xiàng)Δl的計(jì)算公式為：

圖10（b）所示的正方形排列，穿孔率計(jì)算公式為：

修正項(xiàng)Δl的計(jì)算公式為：

可建立傳遞導(dǎo)納函數(shù)：

4.3 不同流場(chǎng)效應(yīng)下的消聲器傳遞損失計(jì)算

通過(guò)對(duì)消聲器進(jìn)行聲學(xué)前處理設(shè)置，并將CFD計(jì)算得到的流場(chǎng)網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入Virtua.Lab Acoustics，根據(jù)聲學(xué)的傳遞導(dǎo)納關(guān)系，得到流場(chǎng)效應(yīng)下的消聲器傳遞損失與不考慮流場(chǎng)效應(yīng)的消聲器傳遞損失曲線，如圖11所示。

分析圖11有如下結(jié)論：（1）考慮流場(chǎng)效應(yīng)與不考慮流場(chǎng)效應(yīng)兩種狀況，消聲器聲波傳遞損失曲線相互交錯(cuò)。（2）在低頻段，兩種狀態(tài)聲波傳遞損失差別較大，說(shuō)明流場(chǎng)效應(yīng)嚴(yán)重影響降噪效果。（3）頻率在（900～1100）Hz之間，傳遞損失曲線接近，流場(chǎng)效應(yīng)影響較小。（4）流場(chǎng)效應(yīng)對(duì)消聲器傳遞損失的總體影響明顯，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)之一。（5）在分析的三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)中，速度場(chǎng)對(duì)整個(gè)消聲器的消聲性能影響最大，壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)消聲器傳遞損失影響類似。

圖11 消聲器傳遞損失曲線Fig.11 Muffler Transmission Loss Curve

4.4 入口流速對(duì)消聲器壓力損失的影響

流場(chǎng)效應(yīng)與氣流壓力相關(guān)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況運(yùn)行時(shí)總廢氣排量按時(shí)序規(guī)則變化，因此消聲器入口氣體流速將遵循一定的規(guī)律變化，對(duì)應(yīng)的入口、出口壓力差能直接反映降噪效果。

根據(jù)配套柴油機(jī)實(shí)際工況，取廢氣排放流速（0～40）m/min；從圖5、圖6云圖分析結(jié)果提取入口流速、入口壓力、出口壓力值，導(dǎo)入MATLAB環(huán)境作曲線擬合，獲得入口流速與壓力差關(guān)系曲線，如圖12所示。圖像顯示目標(biāo)消聲器壓力損失與入口流速呈拋物線增大趨勢(shì)，表明其相關(guān)系數(shù)較高。提取消聲器不同腔體的流速、壓力差參數(shù)作類似曲線擬合，其結(jié)果相同。綜合前述在忽略壁面摩擦的前提下有如下結(jié)論：（1）消聲器內(nèi)腔及通道結(jié)構(gòu)各局部的截面突變，是造成壓力損失的主要因素。（2）壓力損失與腔內(nèi)湍流密切相關(guān)。（3）內(nèi)腔局部形成的渦流和回流強(qiáng)度取決于流速、腔容積、內(nèi)管直徑及長(zhǎng)度等參數(shù)。

圖5 y-z截面速度云圖Fig.5 y-z Section Velocity Distribution

圖12 速度壓力損失曲線Fig.12 Velocity Pressure Loss Curve

5 結(jié)論

運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法實(shí)施的聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)，可準(zhǔn)確量化分析腔內(nèi)各流場(chǎng)變化，從中獲得實(shí)體結(jié)構(gòu)與聲學(xué)傳遞相關(guān)的規(guī)律：（1）腔內(nèi)氣流整體流速均勻，溫度場(chǎng)變化緩慢；壓力急劇變化處集中在通道截面突變的區(qū)域，氣流與腔內(nèi)壁碰撞形成渦流；當(dāng)入口流速變化，消聲器壓力損失呈拋物線規(guī)律變化。（2）改變?nèi)肟诓迦牍苄】字睆郊胺植?、?nèi)腔形狀及尺寸、各導(dǎo)管直徑及分布等，都不同程度影響腔內(nèi)各場(chǎng)分布；對(duì)上述相關(guān)尺寸進(jìn)行合理組合，可在維持氣流順暢的前提下獲得更理想的渦流效應(yīng)。（3）流場(chǎng)效應(yīng)是影響消聲器降噪效率的主要因素之一，在低頻段的影響尤為突出。（4）考慮吸聲材料屬性，本結(jié)論在對(duì)阻性、阻抗綜合性消聲器設(shè)計(jì)有等同效果。