某車排氣系統性能的數值模擬及優化研究

摘要：為提高某車發動機排氣系統的消聲量，建立該排氣系統的有限元模型，采用三維有限元方法對該排氣系統進行聲學性能仿真分析，繪制傳遞損失曲線，發現該排氣系統在試驗測得的排氣噪聲頻譜能量較高的頻段消聲量較小，消聲性能有待改善。運用流體動力學計算軟件fluent對排氣系統的流場特性進行分析預測，獲得壓力損失預測值，以及內部流場的流速、湍流情況。根據分析結果提出改進方案并重新仿真計算，取得了較好的效果。

關鍵詞：排氣系統；消聲器；傳遞損失；空氣動力學；有限元法；排氣噪聲

中圖分類號：U464.134+.4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）05-0023-04

Numerical Analysis of Acoustic Performance and Aerodynamic

Characteristics of One Muffler

GUO Yan-ru，ZHU Jiang-sen，CHEN Jian

（Institute of Sound and Vibration Research，Hefei University of Technology，Hefei230009，China）

Abstract:In order to improve the noise attenuation performance of a muffler， a three-dimensional finite element method is implemented to assess the TL and the attenuation performance of the muffler need to be improved.The software fluent is used to simulate the aeroacoustics characteristic of the muffler and to obtain the pressure loss，flow velocity and the turbulence situation.An improvement scheme is proposed based on the results of study which acquire good effects.

Key words:exhaust system；muffler；transmission loss；aerodynamic；FEM；exhaust noise

排氣系統性能的研究目前主要有有限元法、邊界元法、聲傳遞矩陣法等。聲傳遞矩陣法使用范圍僅限于平面波傳播，主要適用于簡單結構排氣系統的聲學性能分析。有限元法是最常用的數值方法，可對各種類型的排氣系統進行準確數值計算及分析，是分析復雜排氣系統聲學性能的有效方法。本文對某車排氣系統的傳遞損失進行了仿真分析和試驗測試，二者對比曲線表明兩者能較好吻合 ，仿真模型準確 ，能夠滿足理論分析的要求。根據研究結果提出改進意見 ，取得了較好的效果，為系統的設計提供參考。

1 理論分析

排氣系統性能的評價指標主要有聲傳遞損失、空氣動力學特性、結構經濟性等。首先要具有良好的消聲性能，即要求排氣系統具有較好的消聲頻率特性，在所需要的消聲頻率范圍內有足夠大的消聲量。消聲性能的評價指標主要有聲傳遞損失，插入損失。理論計算主要采用傳遞損失法，因為無反射出口條件在理論上容易實現。

TL=10lg=20lg+10lg

式中，TL為傳遞損失；W1、W2分別為排氣系統入口處入射聲功率與出口處的透射聲功率；pi、pt分別為排氣系統入口處入射聲壓和與出口處的透射聲壓；Si、St分別為排氣系統入口管和出口管的橫截面積。

其次要具有良好的空氣動力性能， 要求排氣系統的壓力損失要小，做到裝上排氣系統后， 所增加的壓力損失不影響設備的工作效率，保證排氣通暢。排氣系統的壓力損失與發動機的功率和燃油經濟性密切相關，壓力損失大，功率損失也就大，設計時應在保證傳遞損失的前提下盡量減少壓力損失。最后在結構性能上，要求排氣系統體積小、結構簡單、便于加工、經濟實用、無再生噪聲等。

2 排氣系統計算模型的建立

2.1 FEM模型

排氣消聲器內部結構如圖1所示，為三腔結構，帶穿孔內插管，且包含二穿孔板結構。該排氣消聲器為一種抗性消聲器，是利用不同形狀、尺寸的管道， 造成聲波傳播時阻抗失配，使其在聲學特性突變的交界截面處產生反射， 一部分聲波向聲源方向反射， 只剩下一部分繼續向前傳播，從而達到消聲的目的。在三維 CAD軟件 PRO/E中建立了排氣系統的三維幾何模型 ，導入到Hypermesh中進行網格劃分， 建立排氣系統的有限元網格模型，網格模型如圖2所示。穿孔管的多孔結構是排氣系統模擬的難點，因為要模擬小孔的流動，必須劃分精細的網格，這樣使計算量猛增，很可能使計算無法進行，這里采用并行計算的方法解決。

2.2 聲場模型

在Hypermesh中將有限元模型導成bdf格式的文件，導入到Virtual.lab中，設定邊界條件，并進行聲場性能分析。進口設定為單位振速，出口模擬聲音在出口處沒有反射的效果，在出口處定義一個全吸聲的屬性，聲阻抗為416.5 kg·m2/s，計算頻率范圍20~1 000 Hz，以5 Hz為步長進行計算。

2.3 流場模型

排氣系統的流場計算主要包括速度、壓力和溫度，通過Fluent軟件進行數值模擬，最終目的是得出排氣系統在實際工況下的壓力損失，并且顯示流場細節、確定湍流區和渦流區，確定壓降產生的原因。Fluent中讀取cas格式的文件，并根據排氣系統的工況設置邊界條件，進口根據發動機排量和轉速確定入口速度和湍動條件。根據發動機實際工作條件下的額定轉速，入口速度設為70 m/s。出口設定為壓力出口，壓力值為1個標準大氣壓。壁面設定壁面處為無滑移速度條件，壁面溫度設為500 K。采用 k-e湍流模型對排氣系統內部流場進行模擬。

3 數值計算結果分析

3.1 聲場結果

聲場計算獲得的傳遞損失結果如圖3所示，對結果進行分析發現，此排氣系統在200 Hz以下的低頻和450~550 Hz之間的消聲量不到10 dB，200-450 Hz之間出現小范圍的消聲波峰，但峰值均不超過20 dB。550~850 Hz范圍內出現最大消聲， 表明該排氣系統在該頻段消聲效果比較理想，其他頻率范圍有待改善。850~1 000 Hz與試驗差別較大，由于分析軟件的精確性不足和排氣系統本身的制造缺陷導致誤差存在。對比CAE分析與試驗獲得的傳遞損失曲線，二者在整個頻率范圍內的變化趨勢基本相同 ，幅值差別較小，550 Hz以下兩曲線吻合得很好，排氣系統的仿真模型很好地反映了實際結構的聲學特性，表明建模方法和分析方法是正確的。仿真模型能夠滿足理論分析的要求，為排氣系統的改進提供了較好的模型基礎。

圖3 排氣系統傳遞損失的仿真結果和試驗結果對比曲線

3.2 流場結果

由于排氣系統中的廢氣為高溫氣流 ，高溫氣流流過排氣系統時產生的壓力損失與室溫情況不同，CAE計算時模擬了溫度的影響，入口溫度根據經驗值設為900 K，壁面溫度設為500 K。過多的穿孔結構是產生壓力損失的主要原因。排氣系統壓力值由入口管到出口管逐漸減小，主要的壓力損失是氣流通過小孔和穿孔板的過程中產生，穿孔結構因為同時存在多個截面強烈的擴張和收縮，所以形成的壓力損失比一般擴張腔大。渦流和流動處的轉折對壓力損失貢獻不大。壓力最高處出現在入口穿孔管的末端。計算入口和出口橫截面的平均壓力，繪制壓力云圖，壓力云圖如圖4所示，壓力損失值（入口相對壓力-出口相對壓力）為12.9 kPa。查閱相關規定，發現該排氣系統的壓力損失比較大，性能不太理想。

圖4 排氣系統內部的壓力云圖

氣流速度對排氣系統消聲性能的影響主要體現在兩個方面：氣流速度的方向和大小影響氣流中聲波的傳播，使吸聲結構表面上的邊界條件相應改變，從而影響聲波在排氣系統中傳播時的衰減規律；氣流本身的湍流運動產生渦流噪聲（以中高頻為主)和固體構件的受迫振動產生的噪聲（以低頻為主)，統稱為“氣流再生噪聲”。速度云圖如圖5所示，由圖可知，排氣系統入口的平均流速約為70 m/s，沿著排氣系統入口管道，氣流速度逐漸降低，到達穿孔管末端時，速度降到最低值；氣體經過穿孔管流入第一腔，再經過穿孔板流入第二、三腔；在兩個穿孔板處，由于截面積變化，流速突然升高，為66.6 m/s，接近入口速度；且第二個腔有渦流產生，渦流沖擊排氣系統殼體可能形成再生噪聲；穿孔管小孔處由于氣流滲流，速度略有降低；出口管道處氣流噴射而出，形成一股強流，氣流與管道內壁摩擦，導致速度較大，為95 m/s， 會產生噴氣噪聲，其聲功率和氣流速度的八次方成正比。

湍動能云圖和湍流強度云圖分別如圖6、圖7所示，該圖表明穿孔板處和穿孔管穿孔處湍動能和湍流強度均較大，易形成較大壓力損失。湍動能大處速度梯度亦大，這也是壓力損失的直接原因。綜合以上分析，排氣系統空氣動力性能整體不好，結構可以進一步優化，排氣系統整體性能有待改善。

圖7 排氣系統的湍流強度云圖

4 結構改進方案及仿真驗證

針對排氣系統存在的問題，對排氣系統外形尺寸和各管位置進行了改進。影響帶穿孔管結構的排氣系統消聲性能的因素有很多，如孔徑、孔距、穿孔率、穿孔板壁厚以及穿孔排列方式等等。為了進一步降低排氣系統的壓力損失和改善發動機特定頻率的消聲效果，提出幾種改進方案:

（1）在發動機與排氣系統連接的管道上加裝微穿孔板消聲器。

（2）在第二擴張腔內加入穿孔管 ，形成直通穿孔管排氣消聲器。此排氣系統在第二腔處湍流強度和湍動能均較大，用穿孔管連接第二腔前后的穿孔板、穿孔率及穿孔直徑與第一腔的相同。

對改進方案進行三維建模，并劃分有限元網格，計算結構改進后排氣系統的傳遞損失，在保證消聲性能的前提下選擇盡量小的壓力損失的方案，進行生產制造并做試驗分析，驗證改進效果。

改進方案 1與原排氣系統傳遞損失曲線對比如圖8所示，在排氣噪聲頻譜能量較高的頻率段為40~200Hz的范圍內，消聲量有較大的提高， 個別頻率下消聲量有所降低。分析改進后排氣系統的空氣動力學特性，壓力損失有所升高，因此，該方案還有待完善。改進方案2與原排氣系統傳遞損失曲線對比如圖9所示，在頻率為300~800 Hz的范圍內，消聲量有較大的提高， 在低于200 Hz的的頻率范圍內，消聲效果也有所提高，且壓力損失較原結構有所下降，滿足空氣動力性要求。與方案 1相比，方案2較方案1易于制造，經濟性較好。選擇方案2，與配套廠共同改進 ，排氣系統性能得到明顯改善。

圖9 改進方案2與原排氣系統傳遞損失曲線對比圖

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