发动机进气歧管气动噪声预测方法分析及应用研究

摘要

随着汽车数量的日益增长和人们控制噪声污染的需求日益强烈，各国政府纷纷对车辆噪声予以强制性限制，我国也同样制定了噪声法规而且未来必定会进一步加严。发动机是汽车的主要噪声源之一，需要在设计阶段考虑低噪声的要求。而进气噪声在发动机总噪声中占有很大的比重，有必要对进气噪声进行更深入的研究，以期在设计阶段预测并降低气动噪声。 本文首先对进气歧管的气动噪声预测方法进行了探索研究，在系统地研究了计算流体力学和气动声学的理论及数值模拟方法的基础上，分析了影响结果精度的因素，采用混合计算方法，在CFD流场结果的基础上，基于声学有限元方法预测进气气流的气动噪声。 其次，发展了一种基于瞬态边界条件的进气歧管气动噪声计算方法，通过精确模拟歧管内的流场，提高气动噪声的预测精度。所用的瞬态边界条件由一维仿真得到，该一维性能模型经过试验数据标定，保证了压力与速度边界的准确性；分别使用了大涡模拟中的增加阻尼方程的Smagorinsky次网格模型和分离涡模拟中的改进的延迟分离涡（IDDES）模型，以达到尽可能高的精度。 再次，使用 LES 方法对流场运动进行了研究，流场计算结果直观显示了进气过程中气流运动状态，因截面积的突变和弯管曲率的影响产生了大量涡流，涡流不断发展变化产生了气动噪声，同时反映出歧管内气流速度不断变化引起歧管表面压力波动。 通过LES方法与DES方法的流场结果的对比分析，发现表面压力的分布规律、速度幅值和梯度的分布规律，都非常相近，涡流的位置和强度也呈现高度的一致性，说明DES方法的流场结果与LES方法非常接近，同时它所需要的计算时间比LES方法减少了13%；同时别将LES和DES方法的歧管壁面压力脉动结果，进行频域转换和声学计算，得到声压级频谱图，对比两种方法解得的频谱图，发现两条声压级谱线几乎重合，只有个别峰值存在差异，说明两种方法的流场结果所解得的声场分布是几乎相同的。 之后，用进气口噪声试验数据验证了本文模拟结果的准确度，也证实了DES方法在气动噪声预测中的应用潜力。通过模拟结果和压力边界频谱图的对比，可以区分出歧管的气动噪声中两类峰值，以分别采用不同的降噪方法。 最后将本文的气动噪声预测方法，应用于一款发动机的进气歧管设计中，预测其进气噪声，并对该歧管的声场结果进行分析，为进气系统相关结构的优化和改进提供依据。

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