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使用一维CFD模型对汽车消声器尾管噪声的预测和实验研究
aTechnical Research Center of Yumex Corporation,2029-5 Kuchi,Asa-cho,Hiroshima 731-3393,Japan
bGraduate School of Engineering,Hiroshima University,1-4-1,Kagamiyama,Higashi-Hiroshima 739-8527
cDepartment of Integrated Engineering,Faculty of Engineering,Hiroshima Kokusai Gakuin University,6-20-1,Nakano Aki-ku,Hiroshima 739-0321,Japan
关键词：消声器；尾管噪声；优化设计；瞬态声学性能
摘要
本文在节气门全开的情况下，对商用汽车消声器的尾管噪声进行了实验和数值研究。在预热状态下，发动机在30秒内从1000转加速到6000转。使用一维计算流体动力学预测其排气消声器的瞬态声学特性。为验证模拟仿真结果，采用日本标准（JIS D 1616）在消声室中测量排气消声器的瞬态声学特性。结果发现，（发动机二阶噪声的）模拟结果与实验结果吻合良好。在高阶发动机转速时，计算和实验结果之间存在差异（四阶为5000至6000转，六阶为4200至6000转）。根据结果，这些差异是由于在模拟中没有考虑气流噪声造成的。基于一维CFD模型的理论，提出一种简化模型，与标准模型相比，该模型具有更好的精度，节省了90%以上的执行时间，满足了上市时间的要求。
1.引言
排气消声器广泛用于消除发动机车体的噪音或车辆其他主要噪声来源的噪音。通常，消声器的设计应满足以下两个要求：（1）基本要求是具有高的噪声衰减性能。排气消声器应能抑制感兴趣的频率范围（的噪声），特别是低频范围，因为大多数噪声限于发动机转动频率的前几个阶次。（2）最小背压。背压是消声器通过限制排气流量对发动机施加的额外静压，需要保持在最低限度，因为大的背压将导致容积效率和燃料消耗率的降低。这两个设计要求通常是矛盾的。对于给定的发动机，消声器的消声性能可以通过尾管噪声（试验）进行评估，尾管噪声是指距离尾管500mm，与尾管轴线呈45°的声压级，背压可通过压力传感器检测。
近几十年来，传递矩阵法，有限元法（FEM），边界元法（BEM）或计算流体动力学方法（CFD）被广泛应用于尾管噪声的预测。最常用的计算方法是传递矩阵法（或四极理论）。该方法是基于线性一维波在管道中的传播以及与电滤波理论类似的单个单元（如管道、截面积突变和分支）的传递矩阵公式。然而这个方法还有几个缺点：（1）只能在线性波传播的假设下使用；（2）用这种方法无法计算背压；（3）不能预测消声器的瞬态声学特性。文献［2］［3］［4］采用边界元法对任意给定几何形状的消声器的消声性能进行了预测，这种方法不再局限于平面波假设。在JI等人的文献[5][6][7]中，采用BEM预测得到了几种消声器结构的三维分析结果，与实验结果较好的吻合。在Middelberg等人的文献[8]中，使用3D CFD评估了扩张室消声器的平均流量和声学性能，并对其进行了优化，包括挡板和加长进出口管道。Yumex公司采用3D CFD和3D BEM的组合来预测商用车消声器的噪声。Barbieri采用有限元法对消声器的声学性能进行了预测。虽然FEM、BEM和CFD模拟可以获得更高的精度，但是计算时间成本较高，这会限制用户尝试其他的设计方案。
在心理声学领域，通常采用锐度、响度、粗糙度和波动强度来评价音质。汽车行业不仅要考虑这些参数，还要考虑加速感。例如，当发动机加速时，尾管噪声应随着发动机转速的变化而平滑且线性地变化，使驾驶员感觉车辆加速并且声音舒适。因此，在消声器设计过程中，有必要对消声器的瞬态声学性能进行评估。本文的目的是利用一维CFD和实验方法研究某商用车消声器的瞬态声学性能，在优化设计中建立一个可接受精度的简化模型，以满足上市时间要求。
2.基本理论
2.1.流动问题的基本方程
采用了一维CFD方法解决了本研究中的流动问题。包括发动机系统在内的整个系统被离散呈许多单元，其中每个分流由单个体块表示，每个管道被划分成一个或多个单元。假定标量（压强、温度、质量、密度、内能、焓、物质浓度）在每个体积上都是均匀的。计算每个边界的矢量（质量通量，速度，质量分数通量）。流动模型包括连续性方程，能量守恒方程和动量守恒方程的解（方程（4））。这些方程只在一个维度上求解，这意味着所有量都是流向的平均值。主要的变量是质量流量，密度和总内能。需要注意的是，排气系统中的气体温度大致随发动机的距离而变化。因此，排气系统中的气体温度不是一个常数。在计算气体温度时，在能量守恒方程和焓守恒方程中应考虑气体与流动组分之间的热交换和流动组分与环境之间的热交换。
连续性方程：
（1）
能量守恒方程：
（2）
焓方程：
（3）
动量守恒方程：
（4）
式中,m,V,p,rho;,A,,e,H,h,,,u,,,D,dx,dp是边界质量通量，体积质量，体积，压力，气体密度，流动面积（横截面），传热表面积，每单位质量的总内能（内能加动能），每单位质量总焓，传热系数，气体温度，壁温，边界速度，表面摩擦系数，压力损失系数，当量直径，质量元素在流动方向上的长度（离散化长度），压力差分别作用于Dx。rho;Au与H的和等于e
2.2.排气尾管噪声
根据方程式（1）-（4）可计算消声器背压和尾管出口气体流速。对于尾管噪声，目前还没有一个精确的计算公式。但在自由场中，从尾管流出的气体体积与自由场的体积相比是无穷小的。从尾管流出的气体体积可以看作是尾管体积的变化。因此，可以用单极子的公式来计算尾管噪声。需要注意的是，该方法仅适用于自由场声压级（SPL），通常认为距尾管有几个直径距离。因此，将孔板作为一个简单的脉冲单极子来计算自由场麦克风位置的声压，单极子的速度可以转化为自由场任意位置的压力。
（5）
其中P，rho;，A，r，u，c，t分别为声压，空气密度，尾管横截面积，麦克风与尾管距离，尾管出口瞬时气流速度，速度自由场中的声音，时间。
3.实验装置和方法
实验装置原理图如图1所示。实验采用了一台1500cc直列四缸发动机和一台作为发动机负载的测功机组成的发动机台架。发动机的驱动状态由控制系统控制。通过温度传感器和压力传感器分别检测排气温度的气体温度、管壁温度和气体压力，并通过数据记录仪进行记录。为了避免来自设备的反射声波和噪声的干扰，消声室中只设置一个麦克风和消声器，其他实验设备均放置在消声器外。根据日本标准，采用麦克风（Bamp;K型4190）检测尾管噪声，其位置为尾管轴向45°，距离500mm处。四冲程发动机在预热状态和节气门全开时启动，在30秒内从600转/分钟（空转速度）加速到6000转/分钟。由于感兴趣的频率高于6倍旋转频率，尾管噪声声压级很低，只记录尾管噪声的二阶、四阶和六阶。
图1 实验装置示意图
4.用一维理论模拟尾管噪声
本文采用一维理论对某商用消声器的尾管噪声进行模拟仿真研究。商用消声器的结构示意图如图2所示。这种消声器由三根管子和三个腔室组成，腔室之间由两个固定板隔开。来正确建
资料编号：[5500]
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