小型柴油機消聲器設計仿真分析

熊文清，劉夫云，詹德朗，黃雪瑤

小型柴油機消聲器設計仿真分析

熊文清，劉夫云，詹德朗，黃雪瑤

（桂林電子科技大學，機電工程學院，廣西桂林541004）

針對小型柴油機噪聲大的問題，設計了一款消聲器，并對其進行三維實體建模，然后通過Fluent流體仿真軟件對消聲器進行有限元分析，仿真了此款消聲器的各項工作性能，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，仿真結果證明此款消聲器各個參數均滿足設計要求。

消聲器；Fluent；有限元仿真

目前，在我國農村小型柴油機被普遍應用在拖拉機、三輪農用運輸車、機械插秧、發電機等機械設備上，它具有體積小，重量輕，運轉平衡、工作可靠、使用維護方便等等優點，是農用機械最理想的動力源，也是使用最多，應用最廣泛的動力機械。但是在使用過程中產生的噪聲會給人們帶來很多困擾，特別是小型發電機對周邊的影響更大[1-3]。因此本文針對某典型發動機排氣系統設計了一款消聲器，并對其進行了仿真分析。

1 消聲器各參數的設計

表1為此發動機的主要參數。

表1 某柴油發動機主要參數

由柴油發動機的原有消聲器形狀可知，此方案設計采用與原消聲器容積保持一致，如果四腔消聲器設計成圓柱狀的外形，腔體體積較小，達不到很好的消聲效果，所以采取長方體可首尾相接的外形的方法來設計。這樣既符合安裝實際情況，也會有相對較好的消聲效果。根據原有消聲器計算得到的此新型消聲器的參數為：

（5）由經驗公式可設計，第一腔室進口管插入長度為20 mm，出口管入15 mm，第二腔插入管在二腔室的長度為42.5 mm，在第三腔室長度為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，第四腔室進口管插入的長度為42.5 mm，出口管插入的長度為15 mm.

2 消聲器模型的建立

四腔阻性消聲器工作原理：簡單來說就是內燃機排出的廢氣通過與發動機連接的法蘭管進入進氣口管，第一步先達到第一腔室，再經過兩跟短插入管進入第二腔室，到達第二腔室后接著就流到第三腔室，到達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。并對其進行網格劃分如圖2所示，網格劃分完成后，導出網格到ANSYS FLUENT中進行相關分析[4-5]。

圖2 四腔消聲器網格圖

3 基于Fluent的消聲器有限元結果分析

1）添加邊界條件

參考實際工況以及經驗參數，得出消聲器的邊界條件。統一設進入進氣口廢氣的速度：v=60 m/s，溫度：t=300℃，出口壓力P＝0 MPa.因為消聲器工作時主要是通過外腔把熱量散發到外面，因此就將外腔壁面的溫度設置為300℃，剩下的壁面都設置成絕熱的。

2）仿真結果展示

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，經過兩個插入管流到第二腔室，再經過兩個插入管進入到第三腔室，此時的廢氣速度已經減弱得較多，到達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到設計要求，但是第三腔室與第四腔室出現有局部漩渦狀氣流。

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阻力的大小對等，滿足設計要求。

4 基于Virtual.Lab的消聲器有限元分析

最后利用Virtual.Lab聲學仿真軟件對四腔消聲器進行傳遞損失分析，得到四腔消聲器的傳遞損失曲線[6]，結果如圖7所示。

圖7 四腔消聲器壓力損失曲線

圖7 顯示了頻率在區間內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。在時突然下降，直到2 300 Hz才緩慢回升，說明在范圍內消聲器對噪聲的消聲效果不是很好。

5 結論

本文在設計了一款四腔消聲器的基礎上，并對其進行實體建模，有限元仿真。得到仿真結果后對消聲器的速度，壓力，溫度等方面進行分析，綜合綜合得出此款消聲器各個性能參數都能滿足設計要求。

[1]吳桂培.單缸柴油機噪聲源識別及排氣噪聲控制[D].杭州：浙江大學，2007.

[2]馬家義.消聲器內部流場聲場特性研究[D].長春：吉林大學，2005.

[3]劉義智.BJ6112型客車車外噪聲分析及降噪措施[D].長春：吉林大學，2006.

[4]王耀前.陸森林.ANSYS在抗性消聲器分析中的應用[J]. 2003，24（3）：53-56.

[5]李黎明.ANSYS有限元分析實用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

[6]李增剛.詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學仿真計算高級應用實例[M].北京：國防工業出版社，2010.

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.廣西大學生創新創業項目201510595133；2.柳州市科技計劃項目2015A010501

熊文清（1995-），男，廣西桂林人，本科，工程師，主要研究方向：機械設計及制造。