简单扩张式消声器气流再生噪声的CFD数值分析

摘要

汽车排气噪声已成为汽车的主要噪声源之一,安装排气消声器是控制噪声的有效手段。随着发动机高速化的发展,气流再生噪声已成为影响消声性能的主要因素。但是由于气流再生噪声的产生涉及的因素比较多,消声器本身又具有消声作用,给消声器的性能分析带来很大的误差和不便。以往主要采用实验的方法对气流再生噪声进行研究,并取得了一定的成效。这些研究虽然对气流再生噪声的认识有一定的帮助,但对于研究复杂结构的消声器还有一定的困难。而且进行实验研究时,实验设备价格较高,成本较大,耗时也比较长。
　　 采用数值模拟方法对简单扩张式消声器进行分析,研究不同结构参数对气流再生噪声的影响,是一种新的尝试。本文主要采用CFD法,得到流场在时域上的压力分布,然后读取流场内测点处压力波动的时间历程,并对其进行傅立叶变换。研究首先通过CFD流场数值模拟,分析了消声器内部流场的速度和湍动能分布,为气流再生噪声产生机理的认识提供了帮助,也对气流再生噪声数值模拟的可行性进行了验证。其次,对数值模拟方法进行探讨,分析可能对计算产生影响的几个因素,如网格质量,迭代步数,离散精度等。再次,研究气流速度及消声器的基本结构参数,如:进口直径、扩张腔长度、扩张比、进口及出口管插入长度对气流再生噪声的影响,得出它们的影响规律。最后,分析了气流再生噪声与压力损失的关系。并通过CFD流场模拟分析了原因。
　　 研究结果发现:网格质量对计算结果影响比较大,建立准确的CFD模型和保证好的网格质量是计算的关键;消声器的气流再生噪声随流速的提高显著增大;对于简单扩张式消声器,扩张腔长度的增大有利于降低气流再生噪声,而扩张比的影响相对较小;对于内插管消声器,出口管插入长度的减小有利于气流再生噪声的降低,而进口管插入长度对气流再生噪声的影响不大;当气流再生噪声比较小时,压力损失相对比较大,消声性能和空气动力性能是相互矛盾的。所以,要综合评价消声器的性能。
　　 本文主要针对消声器气流再生噪声的影响因素进行尝试性的探索,通过与已发表的论文中使用其它方法得出的气流再生噪声结构因素的影响规律进行比较,发现CFD数值方法计算所得的结论与参考文献得出的结论基本吻合。进一步说明了使用数值模拟方法可以有效、深入地对消声器进行研究和设计,特别是结构复杂的消声器,而且成本低、效率远远高于实验,并且有良好的精度。