某车排气系统性能的数值模拟及优化研究

摘要：为提高某车发动机排气系统的消声量，建立该排气系统的有限元模型，采用三维有限元方法对该排气系统进行声学性能仿真分析，绘制传递损失曲线，发现该排气系统在试验测得的排气噪声频谱能量较高的频段消声量较小，消声性能有待改善。运用流体动力学计算软件fluent对排气系统的流场特性进行分析预测，获得压力损失预测值，以及内部流场的流速、湍流情况。根据分析结果提出改进方案并重新仿真计算，取得了较好的效果。

关键词：排气系统；消声器；传递损失；空气动力学；有限元法；排气噪声

中图分类号：U464.134+.4 文献标志码：A 文章编号：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

排气系统性能的研究目前主要有有限元法、边界元法、声传递矩阵法等。声传递矩阵法使用范围仅限于平面波传播，主要适用于简单结构排气系统的声学性能分析。有限元法是最常用的数值方法，可对各种类型的排气系统进行准确数值计算及分析，是分析复杂排气系统声学性能的有效方法。本文对某车排气系统的传递损失进行了仿真分析和试验测试，二者对比曲线表明两者能较好吻合 ，仿真模型准确 ，能够满足理论分析的要求。根据研究结果提出改进意见 ，取得了较好的效果，为系统的设计提供参考。

1 理论分析

排气系统性能的评价指标主要有声传递损失、空气动力学特性、结构经济性等。首先要具有良好的消声性能，即要求排气系统具有较好的消声频率特性，在所需要的消声频率范围内有足够大的消声量。消声性能的评价指标主要有声传递损失，插入损失。理论计算主要采用传递损失法，因为无反射出口条件在理论上容易实现。

TL=10lg=20lg+10lg

式中，TL为传递损失；W1、W2分别为排气系统入口处入射声功率与出口处的透射声功率；pi、pt分别为排气系统入口处入射声压和与出口处的透射声压；Si、St分别为排气系统入口管和出口管的横截面积。

其次要具有良好的空气动力性能， 要求排气系统的压力损失要小，做到装上排气系统后， 所增加的压力损失不影响设备的工作效率，保证排气通畅。排气系统的压力损失与发动机的功率和燃油经济性密切相关，压力损失大，功率损失也就大，设计时应在保证传递损失的前提下尽量减少压力损失。最后在结构性能上，要求排气系统体积小、结构简单、便于加工、经济实用、无再生噪声等。

2 排气系统计算模型的建立

2.1 FEM模型

排气消声器内部结构如图1所示，为三腔结构，带穿孔内插管，且包含二穿孔板结构。该排气消声器为一种抗性消声器，是利用不同形状、尺寸的管道， 造成声波传播时阻抗失配，使其在声学特性突变的交界截面处产生反射， 一部分声波向声源方向反射， 只剩下一部分继续向前传播，从而达到消声的目的。在三维 CAD软件 PRO/E中建立了排气系统的三维几何模型 ，导入到Hypermesh中进行网格划分， 建立排气系统的有限元网格模型，网格模型如图2所示。穿孔管的多孔结构是排气系统模拟的难点，因为要模拟小孔的流动，必须划分精细的网格，这样使计算量猛增，很可能使计算无法进行，这里采用并行计算的方法解决。

2.2 声场模型

在Hypermesh中将有限元模型导成bdf格式的文件，导入到Virtual.lab中，设定边界条件，并进行声场性能分析。进口设定为单位振速，出口模拟声音在出口处没有反射的效果，在出口处定义一个全吸声的属性，声阻抗为416.5 kg·m2/s，计算频率范围20~1 000 Hz，以5 Hz为步长进行计算。

2.3 流场模型

排气系统的流场计算主要包括速度、压力和温度，通过Fluent软件进行数值模拟，最终目的是得出排气系统在实际工况下的压力损失，并且显示流场细节、确定湍流区和涡流区，确定压降产生的原因。Fluent中读取cas格式的文件，并根据排气系统的工况设置边界条件，进口根据发动机排量和转速确定入口速度和湍动条件。根据发动机实际工作条件下的额定转速，入口速度设为70 m/s。出口设定为压力出口，压力值为1个标准大气压。壁面设定壁面处为无滑移速度条件，壁面温度设为500 K。采用 k-e湍流模型对排气系统内部流场进行模拟。

3 数值计算结果分析

3.1 声场结果

声场计算获得的传递损失结果如图3所示，对结果进行分析发现，此排气系统在200 Hz以下的低频和450~550 Hz之间的消声量不到10 dB，200-450 Hz之间出现小范围的消声波峰，但峰值均不超过20 dB。550~850 Hz范围内出现最大消声， 表明该排气系统在该频段消声效果比较理想，其他频率范围有待改善。850~1 000 Hz与试验差别较大，由于分析软件的精确性不足和排气系统本身的制造缺陷导致误差存在。对比CAE分析与试验获得的传递损失曲线，二者在整个频率范围内的变化趋势基本相同 ，幅值差别较小，550 Hz以下两曲线吻合得很好，排气系统的仿真模型很好地反映了实际结构的声学特性，表明建模方法和分析方法是正确的。仿真模型能够满足理论分析的要求，为排气系统的改进提供了较好的模型基础。

图3 排气系统传递损失的仿真结果和试验结果对比曲线

3.2 流场结果

由于排气系统中的废气为高温气流 ，高温气流流过排气系统时产生的压力损失与室温情况不同，CAE计算时模拟了温度的影响，入口温度根据经验值设为900 K，壁面温度设为500 K。过多的穿孔结构是产生压力损失的主要原因。排气系统压力值由入口管到出口管逐渐减小，主要的压力损失是气流通过小孔和穿孔板的过程中产生，穿孔结构因为同时存在多个截面强烈的扩张和收缩，所以形成的压力损失比一般扩张腔大。涡流和流动处的转折对压力损失贡献不大。压力最高处出现在入口穿孔管的末端。计算入口和出口横截面的平均压力，绘制压力云图，压力云图如图4所示，压力损失值（入口相对压力-出口相对压力）为12.9 kPa。查阅相关规定，发现该排气系统的压力损失比较大，性能不太理想。

图4 排气系统内部的压力云图

气流速度对排气系统消声性能的影响主要体现在两个方面：气流速度的方向和大小影响气流中声波的传播，使吸声结构表面上的边界条件相应改变，从而影响声波在排气系统中传播时的衰减规律；气流本身的湍流运动产生涡流噪声（以中高频为主)和固体构件的受迫振动产生的噪声（以低频为主)，统称为“气流再生噪声”。速度云图如图5所示，由图可知，排气系统入口的平均流速约为70 m/s，沿着排气系统入口管道，气流速度逐渐降低，到达穿孔管末端时，速度降到最低值；气体经过穿孔管流入第一腔，再经过穿孔板流入第二、三腔；在两个穿孔板处，由于截面积变化，流速突然升高，为66.6 m/s，接近入口速度；且第二个腔有涡流产生，涡流冲击排气系统壳体可能形成再生噪声；穿孔管小孔处由于气流渗流，速度略有降低；出口管道处气流喷射而出，形成一股强流，气流与管道内壁摩擦，导致速度较大，为95 m/s， 会产生喷气噪声，其声功率和气流速度的八次方成正比。

湍动能云图和湍流强度云图分别如图6、图7所示，该图表明穿孔板处和穿孔管穿孔处湍动能和湍流强度均较大，易形成较大压力损失。湍动能大处速度梯度亦大，这也是压力损失的直接原因。综合以上分析，排气系统空气动力性能整体不好，结构可以进一步优化，排气系统整体性能有待改善。

图7 排气系统的湍流强度云图

4 结构改进方案及仿真验证

针对排气系统存在的问题，对排气系统外形尺寸和各管位置进行了改进。影响带穿孔管结构的排气系统消声性能的因素有很多，如孔径、孔距、穿孔率、穿孔板壁厚以及穿孔排列方式等等。为了进一步降低排气系统的压力损失和改善发动机特定频率的消声效果，提出几种改进方案:

（1）在发动机与排气系统连接的管道上加装微穿孔板消声器。

（2）在第二扩张腔内加入穿孔管 ，形成直通穿孔管排气消声器。此排气系统在第二腔处湍流强度和湍动能均较大，用穿孔管连接第二腔前后的穿孔板、穿孔率及穿孔直径与第一腔的相同。

对改进方案进行三维建模，并划分有限元网格，计算结构改进后排气系统的传递损失，在保证消声性能的前提下选择尽量小的压力损失的方案，进行生产制造并做试验分析，验证改进效果。

改进方案 1与原排气系统传递损失曲线对比如图8所示，在排气噪声频谱能量较高的频率段为40~200Hz的范围内，消声量有较大的提高， 个别频率下消声量有所降低。分析改进后排气系统的空气动力学特性，压力损失有所升高，因此，该方案还有待完善。改进方案2与原排气系统传递损失曲线对比如图9所示，在频率为300~800 Hz的范围内，消声量有较大的提高， 在低于200 Hz的的频率范围内，消声效果也有所提高，且压力损失较原结构有所下降，满足空气动力性要求。与方案 1相比，方案2较方案1易于制造，经济性较好。选择方案2，与配套厂共同改进 ，排气系统性能得到明显改善。

图9 改进方案2与原排气系统传递损失曲线对比图

参考文献：

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