基于三维/一维耦合技术的汽车进气谐振器研究

摘要

随着汽车工业的快速发展，汽车发动机进气噪声已成为影响汽车噪声的主要噪声源之一。交通车辆数量的日益增多而带来的环境污染问题已成为影响居民生活、威胁公众健康的一大公害。目前，人们对排气噪声的控制研究比较多，对进气噪声的研究还不够深入，进气噪声已成为汽车噪声控制的重点对象。因此，深入地研究进气消声系统已经成为当前亟待解决的问题。根据长安杰勋JL486Q1型汽车进气噪声大的特点，应用三维/一维耦合技术设计合理的进气消声器，可为今后消声器的设计与改进提供参考，同时，可以在产品的设计阶段预测消声器的性能和传递损失，检验安装谐振器后对发动机的动力性、经济性的影响，可大大缩短产品的研发周期，降低产品成本。
　　本文以网格生成软件GAMBIT、发动机仿真软件GT-POWER、专业声学软件SYSNOISE和流体动力学软件FLUENT为平台，综合运用有限元法、边界元法、有限体积法等方法对基本消声单元的声学性能、流场进行了数值仿真分析。在分析进气噪声产生的机理和Helmholts消声原理的基础上，应用声学有限元法分析了Helmholts谐振腔的形状、体积，连接管的喉口尺寸，主管尺寸等不同结构参数对消声器性能的影响，得出了谐振频率和消声量的关系式;应用GT-POWER、FLUENT软件，结合有限体积法，根据该型车汽油机的相关参数，建立了发动机模型以及发动机与进气谐振器的联合模型，描述了在发动机工作状态下消声器的流场分布，分析了安装谐振器以后，发动机动力性、经济性、进气量以及进气效率等变化情况;基于有限元和边界元(BEM/FEM)理论，利用GAMBIT、FLUENT中的NASTRAN和SYSNOISE软件建立谐振器的声—固耦合模型，研究了谐振器的表面位移响应及辐射声场的变化，分析了谐振器壳体厚度、结构阻尼（材料）等因素变化对声场的影响;应用上述研究成果，利用塑料成型技术加工了长安杰勋轿车进气谐振器，针对设计的消声器进行实验研究，分别进行了发动机性能测试实验、汽车底盘测功机噪声实验和道路噪声实验。
　　仿真分析和实验研究结果表明:谐振腔的结构参数对其共振频率有直接的影响。谐振腔的消声峰值主要集中在400Hz以内的低频区域，随着谐振腔体积增大，消声峰值向低频移动，体积相同时，谐振频率不变，和腔体的高度或面积的变化无关，谐振器消声量不随体积的增大而增大，呈现无规律的变化;喉口直径、长度不同，谐振频率不同，直径越大，谐振频率越大，长度越大，谐振频率向低频移动;发动机进气噪声主要集中在138Hz、276Hz、366Hz的三个频率点处，安装消声器后，三个频率点处的进气噪声都有不同程度的下降，最大降幅达7.5dB，车外行驶加速噪声实验表明，整车噪声由89.1dB下降到83.6dB，降幅达5.5dB，为下一步继续降噪奠定了基础;发动机的功率、燃油消耗量、进气量以及进气效率与原车相比没有明显变化，平均误差在5％以内。说明所建立的仿真模型能够很好地预测消声器和发动机的性能指标。
　　本文通过理论分析和试验验证，创造性提出了谐振腔—喉管体积比与谐振频率、消声量的关系特性，谐振频率与谐振器体积的换算关系、主管直径的变化与消声量的关系;找到了最大噪声的频率范围;利用发动机软件、CFD软件及声学软件，应用三维/一维耦合技术，解决了流场、声场和谐振器之间的耦合匹配问题。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 汽车降噪的现实意义

1．3 汽车进气噪声国内外研究现状

1．3．1 消声器综合性能分析

1．3．2 消声器的理论研究

1．3．3 消声器的声场、流场及与发动机的联合研究

1．4 深入研究的问题

1．4．1 进气噪声研究存在的问题

1．4．2 研究的技术关键

1．5 研究的技术路线和主要内容

1．5．1 技术路线

1．5．2 研究的主要内容

2 汽车噪声及流体力学基础理论

2．1 发动机噪声源

2．1．1 发动机噪声源组成

2．1．2 空气动力噪声

2．2 汽车进气噪声产生机理

2．2．1 进气系统的特征

2．2．2 进气系统的噪声机理分析

2．3 理想流体介质中的声波传播基本理论

2．3．1 理想流体的界定

2．3．2 理想流体的边界条件和物理约束

2．4 流体力学软件介绍

2．5 有限体积方法

2．6 谐振器内部流场计算方法

2．7 瞬态可压流动计算法

2．8 本章小结

3 进气消声器及其声学理论

3．1 汽车消声器及其性能描述

3．1．1 消声器的分类

3．1．2 消声器的设计要求

3．1．3 赫姆霍兹消声器

3．1．4 消声器的声学评价指标

3．2 SYSNOISE有限元与边界元理论

3．2．1 SYSNOISE简介

3．2．2 SYSNOISE有限元理论

3．2．3 SYSNOISE边界元理论

3．3 声波方程有限元求解

3．4 进气谐振器传递损失的计算方法

3．4．1 谐振频率的计算

3．4．2 谐振器传递损失的计算

3．5 本章小结

4 Helmholtz谐振器的声学性能仿真计算

4．1 赫姆霍兹消声器有限元模型求解

4．1．1 条件假设

4．1．2 消声器腔内数学模型

4．2 计算方案研究

4．3 单圆柱形Helmholtz谐振腔声学性能研究

4．3．1 谐振腔高度对传递损失的影响

4．3．2 谐振腔底面积对传递损失的影响

4．3．3 谐振腔喉口尺寸对传递损失的影响

4．3．4 主管尺寸的变化对声学性能的影响

4．3．5 谐振腔与喉管体积比的声学性能分析

4．4 单方形Helmholtz谐振腔声学性能分析

4．5 多个Helmholtz谐振腔的声学性能分析

4．6 本章小结

5 Helmholtz进气消声器三维／一维耦合研究

5．1 噪声分离研究

5．1．1 声源环境噪声处理

5．1．2 噪声客观识别

5．2 进气消声器的设计方案

5．2．1 进气消声器设计的准则

5．2．2 消声器初始设计方案

5．3 谐振腔与发动机三维／一维仿真研究

5．3．1 进气谐振器网格划分

5．3．2 谐振器的边界条件设定

5．4 汽油机及进气排气消声器建模

5．4．1 GT-POWER软件介绍

5．4．2 软件的基本原理和流程

5．4．3 模块数据库的介绍

5．4．4 JL486Q1汽油机进气系统模型建立

5．4．5 仿真与实验误差分析

5．4．6 排气消声器模型

5．4．7 麦克风模型

5．5 耦合结果与解析

5．5．1 消声器三维一维仿真计算

5．5．2 消声器传递损失计算与测量

5．5．3 谐振器内部流场研究

5．5．4 三维／一维耦合结果比较分析

5．6 整车车外加速噪声仿真分析

5．6．1 整车加速噪声模型

5．6．2 加速通过噪声仿真分析

5．7 本章小结

6 进气消声器声-固耦合研究

6．1 谐振器的传递损失分析

6．1．1 建立噪声预测声学模型

6．1．2 传递损失与压力计算

6．2 声-固耦合研究

6．2．1 谐振器辐射声场参数的选择

6．2．2 谐振器壳体的基本假设

6．2．3 壳体厚度对谐振器声场的影响

6．2．4 阻尼对谐振器辐射声场的影响

6．3 本章小结

7 进气谐振器实验分析

7．1 进气谐振器模型

7．2 实验设备及仪器选用

7．3 实验内容

7．3．1 整车底盘测功机发动机性能实验

7．3．2 实验室噪声试验

7．4 整车道路加速行驶噪声实验

7．4．1 实验准备

7．4．2 实验过程

7．4．3 加速噪声影响分析

7．4．4 车外加速噪声实测结果

7．5 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历

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