基于GT-POWER的排氣消聲器數(shù)值仿真設(shè)計(jì)

劉保林

摘 要：運(yùn)用GT-POWER軟件模擬簡(jiǎn)單膨脹腔的傳遞損失與三維聲邊界元法的計(jì)算結(jié)果相比較證明該方法的可靠性;利用該方法設(shè)計(jì)了某型柴油機(jī)排氣消聲器，將改型柴油機(jī)噪聲降低了3.8dB（A）。

關(guān)鍵詞：GT-POWER;排氣;消聲器;仿真設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外研究表明，排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲源之一，消聲器是降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的重要部件，其性能好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲大小和功率損耗。本文主要敘述如何運(yùn)用GT-POWER對(duì)的排氣消聲器數(shù)值進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1 消聲器的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）傳遞損失：即消聲器進(jìn)口處的入射聲功率級(jí)和出口處的透射聲功率級(jí)之差。

（2）插入損失：定義為安裝消聲器前后在某固定測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的計(jì)數(shù)聲級(jí)或總聲壓值之差。由于插入損失便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，非常實(shí)用。在測(cè)量未安裝消聲器的排氣噪聲時(shí)應(yīng)在排氣管口加裝一段與消聲器等長(zhǎng)的空管，以保證在安裝消聲器前后測(cè)點(diǎn)不變。

（3）功率損失比： 內(nèi)燃機(jī)在標(biāo)定工況下不安裝消聲器時(shí)的功率與安裝消聲器時(shí)的功率之差和不安裝消聲器時(shí)功率的百分比。

2 某型原消聲器結(jié)構(gòu)分析

原消聲器結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用單腔加兩段穿孔管、一塊穿孔隔板結(jié)構(gòu)，容積比為3.2，擴(kuò)張比為8.3。從結(jié)構(gòu)上分析，原件的設(shè)計(jì)存在以下不合理的地方：

（1）容積小，空間利用不足。容積比、擴(kuò)張比都較小，而消聲量很大程度上取決于這兩個(gè)參數(shù)。

（2）采用穿孔管和穿孔板結(jié)構(gòu)：穿孔聲學(xué)元件的降噪量主要與穿孔率、小孔孔徑有關(guān)。穿孔率越小、孔徑越小，消聲量越大。但穿孔率過(guò)小、氣流的流動(dòng)阻力損失則越大，功率損失亦大，經(jīng)濟(jì)性能變差。因此，要提高消聲量必須減小孔徑， 要降低排氣阻力又必須增大通流截面系數(shù)，該消聲器這兩項(xiàng)難以同時(shí)滿足，我們認(rèn)為在這種情況下采用小孔噴注結(jié)構(gòu)是不理想的。

3 新消聲器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的消聲器設(shè)計(jì)法存在著不足：實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，人力物力消耗嚴(yán)重但仍不能取得好的效果，不能適應(yīng)企業(yè)開發(fā)周期最小化的需要。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)性能仿真技術(shù)也得到了快速發(fā)展并逐漸成熟。GT-POWER就是其中優(yōu)秀的仿真軟件之一，它的使用大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

GT—POWER所應(yīng)用的是一維流體假設(shè)的動(dòng)力學(xué)模型，它綜合了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的分析代碼，并幾乎包含了發(fā)動(dòng)機(jī)所有關(guān)鍵工況的細(xì)節(jié)模型，可以較完整地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同工況的性能變化。整個(gè)系統(tǒng)被劃分為許多小的控制單元體，單元體上又劃分成許多相互交錯(cuò)的網(wǎng)格。也就是說(shuō)所有的標(biāo)量都以單元體的中心為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，而所有的向量皆以單元體的邊緣為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。形狀各異的氣體通道皆可轉(zhuǎn)化為功能相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)管件，最后形成發(fā)動(dòng)機(jī)的管網(wǎng)化的模型，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真。

消聲器內(nèi)部穿孔管的存在使消聲器管網(wǎng)化具有相當(dāng)大的難度和復(fù)雜性，不過(guò)GT—POWER擁有專門的消聲器設(shè)計(jì)系統(tǒng)，使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化。GT—POWER擁有用于設(shè)計(jì)消聲器殼體外形的二維圖，可以對(duì)消聲器的前端及后端流通平面的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，在消聲器殼體中填充管子和其他部件生成完整的消聲器。

設(shè)計(jì)步驟如下：

3.1 前處理建模

GTPOWER提供了一個(gè)包含消聲器零件庫(kù)的二維繪圖區(qū)（如圖2），零件庫(kù)包括：隔板、消聲器殼體、直管、彎管、穿孔管、穿孔板等，使消聲器的制作十分的便捷。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)兩個(gè)視角，方便地按工程圖的方式填充零件。繪制完二維圖后可以把模型直接轉(zhuǎn)化為三維圖（圖3），并可以用方向鍵對(duì)三維圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等操作，由于殼體是透明的，設(shè)計(jì)者可以清晰地比較是不是自己所希望的內(nèi)部布置，并可回到二維加以改正。

3.2 生成網(wǎng)管模型

把設(shè)計(jì)的二維消聲器模型網(wǎng)管化，設(shè)計(jì)完二維模型后，將其轉(zhuǎn)化為*.dat件并在GT—ISE中導(dǎo)人便可生成連通的網(wǎng)管，這就是GT— POWER所需要的網(wǎng)管模型。在GT—ISE中添加聲源和傳遞損失的測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)置好計(jì)算參數(shù)后，軟件便可運(yùn)行，計(jì)算所設(shè)計(jì)消聲器的傳遞損失。

3.3 后處理

GT的后處理模塊GT-POST有很強(qiáng)的后處理功能，可以調(diào)出GT—ISE的計(jì)算結(jié)果，方便地對(duì)消聲器傳遞損失進(jìn)行寬頻帶的比較，

導(dǎo)出計(jì)算結(jié)果等。

4 新型消聲器的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)不安裝排氣消聲器時(shí)的排氣頻譜特性，對(duì)不同的消聲元件進(jìn)行組合，同時(shí)優(yōu)化尺寸參數(shù)后，利用GT計(jì)算不同方案消聲器的傳遞損失，選出仿真結(jié)果最好的兩種方案：甲、乙（如圖4、圖5）。

與原件相比，新方案在結(jié)構(gòu)上主要做了如下改進(jìn)：

（1）擴(kuò)大容積，增大了容積比和擴(kuò)張比。對(duì)結(jié)構(gòu)形式相同、不同容積的消聲器進(jìn)行的仿真結(jié)果表明，增大容積后消聲效果明顯增大。

（2）增加腔數(shù)，甲采用三腔結(jié)構(gòu)，乙采用兩個(gè)腔。理論計(jì)算及仿真結(jié)果均表明，多腔結(jié)構(gòu)可以在更寬的頻帶內(nèi)獲得理想的消聲效果。

（3）采用內(nèi)插管，一方面在消聲頻帶內(nèi)增大了消聲量，同時(shí)可以在兩個(gè)通過(guò)頻率中消除一個(gè);另一方面將穿孔管和穿孔板改成內(nèi)插管，消聲器的氣流流動(dòng)局部阻力損失中減少了氣流穿過(guò)小孔造成的阻力損失，而消聲器的沿程阻力損失變化不大，因而消聲器總的氣流流動(dòng)阻力損失有所下降。

（4）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)：我們制作了甲乙兩只新的消聲器，進(jìn)行了柴油機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)。在同一臺(tái)柴油機(jī)上分別裝上原消聲器及兩種新消聲器，測(cè)試消聲器口的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)油耗。測(cè)試時(shí)保證發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)定工況下運(yùn)行，保證油溫水溫一直不變。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)可以得出，甲乙兩種消聲器插入損失大于原消聲器，消聲效果均比原件好的多，但乙的油耗并沒(méi)有增加，發(fā)動(dòng)機(jī)功率損失小，因此綜合考慮乙消聲器是更好的選擇。

5 總結(jié)

（1）GT-POWER軟件的仿真結(jié)果與一維平面波的解析結(jié)果吻合度極高，與三維有限元計(jì)算結(jié)果符合性良好，因此GT-POWER的計(jì)算結(jié)果可信。

（2）利用流體動(dòng)力學(xué)分析的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分接近，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可靠性。

（3）本文設(shè)計(jì)了兩種消聲器，用GT-POWER仿真計(jì)算實(shí)際噪聲均低于原消聲器，臺(tái)架試驗(yàn)表明新設(shè)計(jì)的消聲器具有較好的消聲性能，其中乙消聲器在油耗不增加的基礎(chǔ)上，排氣噪聲降低了3.8dB（A）。

參考文獻(xiàn)：

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[2]畢嶸.汽車進(jìn)排氣消聲器性能的數(shù)值仿真研究[E].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動(dòng)工程研究所，2007.