基于FLUENT的抗性消聲器的流場分析及壓力損失研究

鄒潤，楊欣祺，蔡強，李闖，高沙沙（.中北大學機械與動力學院，太原，0005；.云內動力股份有限公司技術中心，昆明，65000；.長城汽車股份有限公司技術中心，保定，07000）

基于FLUENT的抗性消聲器的流場分析及壓力損失研究

鄒潤1，楊欣祺2，蔡強1，李闖1，高沙沙3
（1.中北大學機械與動力學院，太原，030051；2.云內動力股份有限公司技術中心，昆明，650200；3.長城汽車股份有限公司技術中心，保定，071000）

利用FLUENT對某挖掘機消聲器的設計制造進行仿真分析，研究了該消聲器內部流場的溫度、壓力、速度的分布，分析了不同的入口速度下壓力損失的變化。發現消聲器內部流速較均勻，氣流速度變化比較緩和，沒有變化劇烈的區域。每個擴張腔內氣流撞擊壁面后有反射，有利于削弱噪聲能量，達到消聲效果；消聲器各擴張腔內部溫度變化比較大，第一腔內溫度變化最大；消聲器各擴張腔內部壓力維持不變，壓力損失比較大的區域為2個內插管入口處，這說明擴張腔在整個消聲器中造成的壓力損失是比較小的。隨著入口速度增加，消聲器的壓力損失呈拋物線增大。

抗性消聲器 FLUENT 壓力損失 流場分析

1　引言

隨著我國經濟結構的發展壯大，內燃機的使用范圍和數量越來越多，與此同時，也給人們帶來了嚴重的噪聲污染。液壓式挖掘機是一種高能耗的設備，它對整個發動機的能量利用只有20%［1］。雖然消聲器能減少一定噪聲，但是它也會消耗發動機的許多能量。壓力損失是評價消聲器空氣動力性能的指標，可以用進出口的全壓之差得到，它的大小能反映消聲器的效率。隨著消聲器的壓力損失增大，發動機的能量就損失越多，且效率更低，這是明顯的資源和能源的浪費，這個和全世界倡導的節約資源和低消費是違背的。所以，為了提高能源的利用和抑制浪費，研究消聲器的壓力損失是一項必須的任務。

近些年，全世界范圍內許多研究者已經做了CFD技術的研究工作。J.MMiddelb是最早研究消聲器壓力損失的［2］。文獻［3］利用CFD技術分析、評估了歐Ⅲ排放柴油機整機的壓力損失。文獻［4］利用CFD技術分析了某挖掘機用柴油機消聲器內部的壓強分布，對消聲器的壓力損失進行了預測。徐磊利用SYSNOISE和FLUENT仿真分析了橫流穿孔管消聲器聲學和阻力特性［5］，胡效東利用CFD技術對消聲器做了許多研究［4，6］。

本文利用FLUENT軟件對文獻［4］中某挖掘機用柴油機消聲器的內部流場進行了模擬仿真，分析了其溫度、壓力、速度的分布，并研究了消聲器進口速度增大時壓力損失的變化情況。FLUENT技術應用在消聲器的性能研究上，相比用實驗來研究消聲器的設計制造，縮短了研究周期和節約了資金。

2　理論模型

消聲器內部的流體流動，入口質量流量等于出口質量流量，并且滿足質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

連續方程：

動量方程：

動能方程：

式中，u是速度矢量u在x、y、z方向的分量；ρ是密度；fi是微元體上的體力；P是勢能；k是湍動能；ε是耗散率；σk是湍動能k對應的普郎特數。

對消聲器的內部流場進行研究，需要在其工作時做如下假設：

（1）消聲器固體區和流體區的物理性能參數全為常數；

（2）流體流動是定常流且為湍流；

（3）因流體為氣體，忽略重力的影響；

（4）消聲器入口流體流速為勻速，且垂直入口端面，無脈沖影響。

在消聲器內部，氣體流速比較高，故流體域看作是理想的湍流，選擇標準k-ε雙方程湍流模型進行計算，其控制方程如下：

式中，

Γ——擴散系數；

ρ——氣體密度；

v——速度。

根據消聲器壓力損失的獲得方法［7］，分別距離進、出口5mm遠處的截面選取9個均勻分布的點進行分析，將此9個點全壓平均值作為該截面的平均全壓值，進出口兩截面的平均全壓值就是它們的全壓值。圖1即是進出口截面的壓力測量圖，進口截面的全壓值減去出口截面的全壓值就是消聲器的壓力損失。下式是壓力損失的計算式：

式中，pt1和pt1分別是進、出口的平均全壓值。

圖1　消聲器進出口端全壓計算截面

3　抗性消聲器流場仿真計算

3.1物理模型的建立及網格劃分

某挖掘機消聲器主要是采用內插管擴張式結構，有3個擴張腔，擴張室直徑為100mm，腔體總長為471mm。利用Pro/E建立該挖掘機消聲器的三維流體域模型，圖2是該消聲器的結構示意圖。

ICEM-CFD劃分的網格模型與FLUENT軟件有很好的接口性能，這會減少模型在轉化中數據的丟失，所以采用ICEM-CFD對消聲器三維流體域劃分網格，見圖3。因該消聲器內部結構復雜，故流體域采用非結構化網格，網格單元類型選擇“Tetra/Mixed”，網格劃分方法采用“八叉樹”。劃分完后進行網格質量檢查，網格單元有3 363 682個，得到最小網格質量為0.29＞0.2，如圖4所示。網格質量符合FLUENT計算的一般要求，因此網格模型可以進行仿真計算。

圖2　消聲器進出口端全壓計算截面

圖3　網格模型

圖4　網格質量顯示圖

3.2流場仿真計算

采用FLUENT進行流場仿真計算，求解器選用三維雙精度；因入口流速為60m/s，小于0.3馬赫，流體可看作不可壓縮氣體，故求解方法選擇“Segregated/Implicit（非耦合隱式）”算法。流體為“Steady（定常流動）”，啟動“Energy能量方程”，設置“標準k-ε湍流模型”。在柴油機排出的廢氣中含有CO、HC、NOx和SO2等有害氣體，其所占濃度分別為CO＜0.2%，HC＜0.1%，NOx＜0.25%，SO2＜0.008%［8］，各種氣體的濃度加起來小于0.6%，并且大部分氣體的分子量和空氣的分子量相差不大，所以此處選擇將柴油機排出的廢氣近似看作空氣，空氣密度為1.225 kg/m3，黏度為1.789×10-5Pa·S。即消聲器內流體選擇空氣。

消聲器邊界條件的設置如下：入口為“速度入口”（Velocity-inlet），入口速度為60m/s，入口溫度為813 K，湍流強度為10%，水力直徑為入口段直徑25mm；消聲器壁厚為1.5mm，材料為Q235A。出口形式為“自由出流”（outflow），這類邊界條件由FLUENT計算得到，不用事先給定。

3.3仿真計算結果分析

3.3.1氣流速度場分析

圖5　x=0截面的速度云圖

圖6　x=0截面的速度矢量圖

圖5表示了入口速度為60m/s時某挖掘機用柴油機的擴張式消聲器內部流場速度分布情況，圖6是消聲器內部速度矢量分布圖。從圖5中可以看出流場速度分布情況：消聲器內部流速較均勻，氣流速度變化比較緩和，沒有變化劇烈的區域。從圖6中可看出，每個腔里都有速度的旋流，這是由于氣流撞擊壁面后有反射，有利于削弱噪聲能量，達到消聲效果。由于入口和出口直徑相同，故它們的氣流速度相同，氣流速度最高處在第1個內插管入口段。整個消聲器內部流場最高氣流速度為90.6m/s，最小為0m/s。

3.3.2消聲器內部壓力場分析

圖7表示了入口速度為60m/s時該柴油機消聲器內部流場壓力分布情況。從圖中可以看出流場壓力分布情況：從第1腔到第3腔，壓力逐漸減小。消聲器各腔內部壓力維持不變，沒有變化劇烈的區域，即沒有壓力損失變化很大的區域。消聲器整個流體區域最大全壓為1.87 kPa，位置位于消聲器入口及第1腔部分區域；最小全壓為-17.8 kPa，位置位于消聲器出口處。壓力損失比較大的區域為2個內插管入口處，這說明擴張腔在整個消聲器中造成的壓力損失是比較小的。

圖7　消聲器內部流場全壓分布云圖

3.3.3消聲器內部溫度場分析

圖8　消聲器內部溫度場分布云圖

圖8表示了入口速度為60m/s時消聲器內部流場溫度分布情況。從圖中可以看出，消聲器各腔內部溫度變化比較大，第1腔內溫度變化最大。消聲器整個流體溫度場里，最低溫度為410 K，位置位于出氣段；最高溫度為813 K，位置位于進氣緩沖段。

4　入口流速對消聲器壓力損失的影響

發動機轉速處于變化時，活塞的往復運動速度變化使得發動機排氣口氣體速度變化很明顯，變化的流速導致氣體動壓變化，在氣流靜壓相同的情況下，汽車消聲器的壓力損失變化較大，所以研究消聲器入口流速對它的壓力損失的影響顯得非常有必要。采用前面使用的相同邊界條件和模型，分別分析入口流速為10m/s～100m/s時消聲器的壓力損失變化情況，計算結果見圖9。

圖9　不同速度下消聲器壓力損失變化曲線圖

從圖9可以看出，消聲器入口氣體流速越大，總體的壓力損失逐漸變大，隨著入口流速的增大，該消聲器的壓力損失大致呈拋物線規律增大。

5　結論

本文利用FLUENT對某挖掘機柴油機消聲器的設計制造進行了流場仿真分析，分析了消聲器的溫度場、壓力場、速度場的分布，并得出了不同入口氣體流速的壓力損失變化關系，有如下結論：

（1）消聲器內部流速較均勻，氣流速度變化比較緩和，沒有劇烈變化的區域。從圖5中可看出，每個腔里都有速度的旋流，這是由于氣流撞擊壁面后有反射，有利于削弱噪聲能量，達到消聲效果。消聲器各擴張腔內部溫度變化比較大，第1腔內溫度變化最大。

（2）消聲器各擴張腔內部壓力維持不變，沒有劇烈變化的區域，即沒有壓力損失變化很大的區域。壓力損失比較大的區域為2個內插管入口處，這說明擴張腔在整個消聲器中造成的壓力損失是比較小的。

（3）不同入口氣流速度進入消聲器，消聲器的壓力損失是不同的，消聲器隨著入口流速的增大，壓力損失大致呈拋物線規律增大。

［1］郭勇，陳勇，何清華等.從INTERMAT2006看挖掘機電控系統的發展［J］.工程機械，2006，11：40-43.

［2］M iddelberg JM，Barber T J.CFD Analysisof the Acoustic and Meanflow Performance of Simple Expansion ChamberM ufflers［C］//2004 ASME InternationalMechanicalEngineering Congress andExposition（Conference code：64903），Anaheim，CA，United States.USA：ASME，2004：151-156.

［3］李娜，張強.歐Ⅲ排放柴油機缸蓋冷卻水腔流動與傳熱的數值解析［J］.內燃機工程，2007，28（1）：51-55.

［4］胡效東，周以齊，方建華等.基于CFD的挖掘機消聲器結構優化研究［J］.系統仿真學報，2007，19（13）：3126-3129.

［5］徐磊，劉正士，畢嶸.橫流穿孔管消聲器聲學及阻力特性的數值分析［J］.燕山大學學報，2010（4）.

［6］胡效東，周以齊.單雙腔抗性消聲器壓力損失CFD研究［J］.中國機械工程，2006，17（24）：2567-2572.

［7］GB/T4760-1995，聲學消聲器測量方法［S］. 1995：256-270.

［8］Gedney SD.An Anisotropic PMLAbsorbing Media for the FDTD Simulation of Fieldsin Lossy and DispersiveMedia［J］.Electromagnetic （S0272-6343），1996，16（4）：399-415.

Analysisof flow field and pressure lossofResistanceMuffler Based on FLUENT

Zou Run1，Yang Xinqi2，CaiQiang1，LiChuang1，Gao Shasha3
（1.North University ofChina，Taiyuan 030051，China；2.TechnicalCenter，YunneiCompany Limited，Kunming650200，China；3.TechnicalCenter，GreatWallMotor Company Limited，Baoding071000，China）

The internal flow field of themuffler the distribution of temperature，pressure and velocity is studied by simulation analysis by FLUENT.Found that the internal flow velocity is relatively uniform，the change of the air velocity is relativelymoderate，no change in the region.Each of the expansion chamber of theair impactof thewallafter the reflection，is conducive toweaken thenoise energy，toachieve theeffectof noise elimination，the internal temperature changes is large in the muffler expansion chamber，the first chamber temperature change themost large，the internal pressure of the expansion chamber is unchanged，the pressure loss relatively large is two internal insertpipe inlet，which shows that the pressure loss caused by the entiremuffler is relatively small.With the increase of the inlet velocity，the pressure loss of the muffler increases.

resistancemuffler，FLUENT，pressure loss，flow field analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.004

來稿日期：2015-10-08

鄒潤（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為動力機械總體設計及結構動態設計。