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重型车辆消声器降噪性能的优化研究

摘要：为研究高性能复合消声器的声学性能，消声器的降噪性能被进一步优化。在合理假设的基础上，建立了消声器内壁表面的进出口边界值。利用HYPERMESH建立了室内声学有限元模型，并利用Virtual.lab中的SYSNOISE模块计算了传输损耗。然后讨论了消声器的主要结构参数，如射孔管孔径、膨胀室数量、主风道位置等对消声器降噪性能的影响。实验证明，该方法有效地提高了消声器的降噪性能，证明了该方法的实用性，并为复杂消声器的设计和优化提供了解决方案。

1.介绍

发动机排气系统的噪声是噪声源中最大的一部分，因为大部分环境噪声来自道路上的车辆。实践证明，安装消声器是有效降低排气系统噪声的有效途径。安装穿孔管降噪的原理如下:在声压作用下，当气流在消声器的孔内循环时，气体在穿孔板孔内作活塞式往复运动;将孔壁连续摩擦声波，使部分声能转化为热能，达到降噪效果。传统的消声器降噪性能预测方法难以准确预测复杂消声器的降噪性能，但该方法对简单消声器降噪性能的预测和改善效果良好。利用三维数值模拟消声器的降噪性能，克服了上述结构复杂消声器存在的问题，成为预测和优化消声器降噪性能的有效方法。

本文以某重型车辆方形消声器为例，采用声阻抗法对消声器穿孔板上的大量穿孔进行了模拟，并对消声器传动比损失评估的参数曲线进行了仿真。重点讨论了穿孔管孔径、膨胀室数量、主气流通道位置等主要结构参数对降噪性能的影响。将不同结构参数下的降噪性能仿真数据与原结构的仿真曲线进行了比较。总结了消声器降噪性能与结构参数之间的关系，得到了消声器结构的最优模型。

建立有限元模型

2.1基本假设

（1）假设介质为理想气体，即声传递过程中没有能量损失或介质中没有粘度。并假设介质在静态均匀密度环境中的初速度为零，静压和静密度为常数值。

（2）假设声波传递处于绝热状态，在此过程中没有热交换。

（3）声波在消声器射孔管内传播时，没有能量向外辐射，即假定射孔管壁面为刚性。

（4）声波在空气中以小振幅传播。声波的描述可以参考线性波动方程，参数均为一阶。

2.2波动方程

对于一维波动方程，消声器管入口的颗粒速度与声压的关系可以表示为:

其中，p1为入口入射声压;p2为入口处的反射声压。

声压和粒子速度分别表示为:

其中，p3为出口入射声压;p4为入口处的反射声压。由上述公式推导得到消声器传输损耗。

2.3模型原理

假设消声器内部声场是不耦合的，只对气体通过的包层区域建立有限元模型。声学有限元网格的细度必须足够清晰地分辨出最高的主频率，即在每个声波波长范围内至少有3个二次单元或6个线性单元。

2.4边界假设

（1）入口边界

根据入射波为平面波的假设，在入射波入射处加入单位速度。

（2）内壁边界

假设内壁表面为刚性，壁面吸收为不考虑，介质在壁面上的法向速度为零。

（3）出口边界

全吸声性能在出口端边界处进行。

2.5射孔管等效结构

射孔管上有大量孔洞，孔径较小。为了简化的模拟计算过程大量的漏洞,一组连续的等价的声阻抗是用来模拟黑洞,也就是说,一组边界等效阻抗添加的内外壁穿孔管的穿孔管。节省了大量复杂的计算过程。

穿孔板的阻抗可以表示为：

这里,Delta;P是声压穿孔管的双方之间的区别;V为射孔管内的平均粒子振动速度，Rp和Xp为模拟射孔管阻抗比的实部和虚部。

这里，当穿孔板的厚度远小于孔半径的四倍时，有j^2 = 1。实部和虚部可以用以下公式表示:

在方程中:角频率omega;;ε是穿孔速率;rho;0是穿孔管的气体密度;eta;是粘度系数;l为穿孔板的壁厚;Delta;l小孔分布的修正系数;是穿孔的半径,小洞被安排在一个正方形表面的多孔管,因此,孔排列在一个常规射孔管表面内,Delta;l = 0.85a（1-0.24a/b）, d是在穿孔管孔之间的间距。

数据分析

重型车辆的方形消声器有两个室。其降噪性能的传输损耗分析如图1所示。结果表明，在850 Hz和(1300-2000)Hz范围内，原模型的降噪性能较差。本文主要讨论了小孔参数对穿孔板的影响、膨胀室数差和主气流通道位置差对减噪性能的影响。然后在原有的消声频谱的基础上，改进了内部结构设计，优化了部分频段较差的降噪性能。消声器结构图和有限元网格模型如图2所示。在图2（a），消声器的内部密度设为rho;=1.225kg/m，介质为R600A，声速c =340m/s。

3.1穿孔管孔等效结构

在图3中，当射孔率恒定，且射孔管孔径不同时，消声器性能的对比曲线如图所示。在原模型中，消声器穿孔管的孔直径为3mm，孔间距为20mm，板厚为1mm。在原方案的基础上，在保证射孔率恒定的前提下，分析了孔径变化对传输损耗的影响。从图3可以看出，当射孔率一定时，随着射孔直径的增大，降噪曲线的峰值向右移动，即高频方向。在中高频段，随着射孔孔径的增大，峰值再次出现在1700hz。一般情况下，在0 Hz ~ 2200 Hz区间内，通过改变射孔管直径而不改变射孔率，可以获得较好的降噪效果;在700hz以下，改变射孔直径对消声器的传输损耗影响不大。尺寸变化对中频段的降噪性能影响最大;当穿孔板上的孔径为1.5 mm时，在1275 Hz时达到峰值，降噪量可达67 dB。

3.2膨胀室数差对传动损失的影响

如图4(a)所示，消声器初始结构模型只有两个膨胀室，右侧增加隔板进行修正。两膨胀室和三膨胀室消声器的传输损耗仿真如图4(b)所示。如图所示，在中高频(700~1300)Hz范围内，降噪性能明显提高。再形成一个腔体后，每个腔体的体积就减小了。由于中高频段波长较短，在不连续界面上更容易发生干涉和反射，使得降噪性能更好。此外，初始消声器模型存在一些通过频率，会造成一些频率噪声无法降低。这一问题可以通过三种膨胀腔结构来解决，从而达到更好的降噪效果。

3.3主风道位置差对传动损失的影响

内套管的位置，即主气流通道在隔板上的位置如图5(a)所示。图5(b)为主要气流通道位置差对传输损失的影响。从0 Hz到2000 Hz可以看出，Lc值从0.4L降低到0.23L时，最大降噪量总体上减小;而在900Hz ~ 1600Hz范围内，随着主气流通道位置的变化，降噪曲线也发生显著变化。当Lc值增大时，即主气流通道位置向上移动，主气流通道与进气管之间的距离缩短。当距离足够近时，进气腔可视为谐振腔，接近谐振频率时可达到较好的降噪性能;也就是说,进气管之间的距离远和主气流通道,进入的空气室的气流路径增加,在低频段和降噪效果更好,但通过频率增加的数量。从图5(b)中可以看出，取Lc = 0.4L，在低频和中高频波段都能获得良好的降噪性能。

根据消声器的降噪性能的仿真和定性分析结构参数的多孔管,获得最优模型如下:消声器有小孔的直径3毫米,20毫米的小孔间距,一盘厚度1毫米,three-chamber扩张腔,Lc = 0.4 l。图6为消声器改进前后降噪性能曲线对比图。从图中可以看出，经过结构优化，消声器的降噪性能明显提高。在中高频段，优化后的消声器性能没有明显改善。可在消声器内壁添加矿渣棉等吸声材料进行进一步改进;从全频率上看，结构优化后的消声器降噪性能较初始消声器有了明显提高。

优化后的消声器装配在重型车辆上，用于整机的噪声测量。测量结果如图7[7]所示。可以看出，有限元分析的结果在大部分频段上与实验测量值吻合较好。在实验中，改进后的消声器的降噪性能确实得到了提高。它不仅证明了有限元仿真在消声器模型降噪分析中的实用性，而且为工程设计优化提供了一种新的解决方案。

结论

重型车辆消声器优化后的测量结果与有限元模拟结果吻合较好。研究了通过改变射孔参数、膨胀室数量和主气流通道位置对降噪性能的影响。结果表明:在不改变射孔率的情况下，通过改变射孔管径，可以获得良好的减声效果;中、高频射孔孔径变化对降噪性能影响最大;孔径为3mm时达到峰值。在右室增加隔板后，中低频消声器的降噪性能明显提高。主气流通道位置对降噪性能有明显影响;噪声频率是必须考虑的。消声器内壁还可安装渣棉等吸声材料，进一步提高消声器的降噪性能。最后对消声器的结构进行了改进。实验证明，综合优化后的消声器降噪性能得到了提高。

利用甲醇和汽油混合燃料对涡轮管式消声器排气性能的影响:控制氮氧化物的一个步骤

摘要：在全球范围内，人们正在进行广泛的努力，以混合燃料取代现有发动机结构中的化石燃料，同时符合现有的基础设施。虽然混合酒精燃料能够减少碳化排放(CO, CO2, un烧焦HC)，但由于燃烧较好，排气温度提高，NOx水平显著升高。无穿孔检查消声器的新设计是否降低了温度。本研究的主要目的是探讨射孔在降低表面温度方面的可行性。为了达到这一目的，建立了计算流体动力学模型，研究了涡轮管式直椭圆形消声器在汽油-甲醇混合发动机上穿孔对排气性能的影响。通过压力求解器进行了CFD分析，研究了射孔对背压、密度和温度的影响。在结果分析之前，用一个装配在四冲程单缸汽油发动机上的腔室式消声器样机对模型进行了验证。测得的温度与模拟回火温度相吻合。研究了不同(5%、10%、15%)汽油和甲醇共混物的消声器背压、温度、密度、流速等性能参数。在非射孔型和射孔型涡轮管消声器之间可以观察到这些参数的明显变化。

介绍

全球变暖主要是由于数以百万计的公路车辆不加控制地排放废气造成的。目前世界各国的研究人员面临的主要挑战是开发出排放、噪音和摩擦最小的可持续燃料和绿色环保组件，这些都与温室效应直接相关。因此，在实现这些目标的同时，只有部分修改才具有成本效益。修改范围包括:使用替代燃料和混合燃料;发动机控制部件的改进;发动机零部件设计的修改等都是几个例子。使用混合燃料代替汽油和柴油可以减少二氧化碳的排放。此外，替代燃料的开发像使用植物油的生物柴油一样，将汽油/柴油与酒精成分（甲醇、乙醇、丙醇）以及丁醇等）是清洁燃料生产的新趋势。

近年来，人们对燃料配合比进行了广泛的研究。例如，使用三元生物燃料的混合来研究发动机的性能和污染物。此外，甲醇也被认为是一种合适的汽油调合剂。从文献中可以明显看出，20%以上的甲醇与汽油混合后，发动机运行没有明显的毒性作用。同样，甲醇也可以通过简单的工艺得到，可以作为汽油的一种常见的混合剂。磁场床反应器以二氧化碳为原料，通过铜和铁支持的MCM-41 cata裂解液，实现甲醇的清洁生产。尽管改进型燃料显著降低了与碳相关的排放成分，但仍然提高了消声器表面的排气温度(Munjal, 1998)。这是由于较轻的酒精混合燃料改善了燃烧，有利于产生较高的。在使用这类共混物时，必须同时考虑通过消声器设计修改降低排气温度来降低NOx。

材料及方法

2.1石油-甲醇混合燃料

如前所述，甲醇被认为是最合适的汽油调合剂因其重量轻。在消声器的仿真中需要用到的入口参数是否从发动机运行的燃烧分析中提取石油-甲醇混合燃料。因此，有必要通过类似的标准程序对共混物进行表征ASTM测试方法。虽然汽油是比较适合火花的燃料点火(SI)发动机由于较高的热含量和较高的辛烷值，汽油-甲醇(5%，10%或15%)的混合物被发现有更好的燃料特性，没有任何显着的变化燃料特性。此外，从早期文献中可以明显地看出按体积计算，20%的甲醇加到汽油中不会产生任何气体燃烧过程中产生的有害/有毒废物较多。的细节燃料混合及其相应的ASTM标准程序细节用于测量特定的物理/化学性质表1。

虽然这里的CFD分析是评价的主要方法排放性能，一些输入的数据，如单个排放成分的质量分数，它的物理和化学性质，如密度，粘度，酸值，闪点，倾点等。从实验上要求进行这样的模拟。这些通过发射和性能分析得到了参数。消声器的设计是第二个需要发扬光大的方面分析。

2.2涡轮消声器几何形状的设计步骤

如前所述，通过适当的CFD建模温度、压力、质量流量等边界条件，可以预测任何类型的排气性能安装在发动机排气歧管上的消声器。为了达到这个目标,三维立体模型的消声器要合适通过一个坚实的建模软件编写。的步骤包括创建直线和椭圆草图，然后垫和口袋期望长度和腔室。最后后在进口、出口和中间路径创建圆形路径为此目的设计完成。因此，有了这些布局步骤无孔涡轮直拉(NPTS)，无孔涡轮椭圆型(NPTE)，涡轮直型(PTS)，穿孔制备涡轮椭圆型(PTE)消声器，如图1(a)、(b)、1(c)、1(d)所示。布局这样创建的图纸在后期转化为CAD模型。无孔涡轮管消声器与有孔涡轮管消声器有明显区别，如图2(a)和(b)所示。分别。对于CFD分析，从CAD模型中需要提取各自的流体路径。它是主要的元素为啮合进行排气性能分析。

分析的下一步是将流体路径网格化想要的类型。它是通过ANSYS workbench实现的。

步骤包括将CAD模型导入hyper mesh进行修复和细化。然后对表面进行修整适当的公差，使自由的边缘和复制表面。的啮合参数详见表2。它陈述了具有节点和面的数量的元素的数量。此外，还包括边缘大小、生长速度、元素类型和法线等信息记录NPTS、NPTE、PTS和PTE型设计的曲率角。图2(e)和(f)给出了两个模型的网格化模型不同的消声器。工作台自动选择网格单元类型。在继续分析之前，它是需要对模型进行预处理，设置分析中不同参数的边界条件。

2.3消声器的预处理及边界条件的设定模型

在这种情况下，计算流体动力学模型使用静态通过内置压力模拟消声器几何形状基于ANSYS软件的求解器。尺寸被考虑进去了所有参数均采用SI单位。在这种情况下，热传递是假设发生从废气混合物的壁面消声器然后从外墙进入大气。这个过程涉及内建能量方程的求解。在入口，a热气体如CO、CO2、NOx、O2、空气和油的混合物被认为

资料编号：[3115]