双模式消声器消声特性仿真分析和实验研究

摘要

排气噪声在整车总噪声中占比较大，会对车内人员的舒适性产生不良影响。消声器是控制排气噪声的重要零部件,然而消声器在工作时会产生压力损失，对发动机燃油经济性和瞬时功率产生不利影响。双模式消声器相比传统消声器增加了一个扭转弹簧控制的蝶形阀门，阀门可以在不同的发动机工况下关闭或打开一定角度，使双模式消声器有更优的声学性能和更小的压力损失。但目前还需要对双模式消声器的性能进行深入研究。　　本文基于声学有限元法分析了扩张腔和插入式扩张腔、亥姆霍兹共振腔、泄露式共振腔、两颈部共振腔的声学特性。实验验证了两颈部共振腔的峰值消声频率随第二颈部直径的变化关系。在此基础上分析了双模式消声器的低频声学特性，双模式消声器的低频峰值消声频率随阀门开度的增大而增大，可以控制排气噪声总声压级处于较低水平，并且调节阶次占比，获得更优的声品质。建立了发动机转速和阀门开度的理想匹配曲线。还讨论了结构参数对双模式消声器低频声学特性的影响。　　本文仿真分析了双模式消声器的流场特性，讨论了双模式消声器内部流动情况和压力损失的来源。双模式消声器在阀门打开后从小孔流出的质量流量占比降低，小孔附近产生的局部损失降低，因此双模式消声器相比传统消声器能够降低压力损失。对阀门两侧压力差积分得到阀门上的作用力，由此设计了能够满足不同发动机转速下开度要求的扭转弹簧。还讨论了结构参数对双模式消声器流场特性的影响。　　基于大涡模型（LES）仿真分析了双模式消声器气流噪声的主要来源。结果表明双模式消声器相比传统消声器能够降低第一腔内涡流脱落和破碎，因此能降低气流噪声。将腔壁和入口管表面的压力脉动分别导入声学软件中计算了远场的声学响应，验证了以上结果。　　通过冷流试验台实验研究了双模式消声器的特性，实验得到了双模式消声器压力损失、气流噪声和阀门开度随入口气流速度的变化关系。实验结果表明双模式消声器相比传统消声器能够降低压力损失和气流噪声，而且降低的幅值随气流速度的上升而增大。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.1.1 汽车噪声与燃油经济性问题概述

1.1.2 双模式消声器的提出

1.1.3 课题的研究意义

1.2 双模式消声器国内外研究现状

1.3.1 排气噪声的组成和产生机理

1.3.2 消声器的类型及评价指标

1.4 研究的主要内容

2 声学和湍流分析理论

2.1.1 声波方程

2.1.2 管道声学理论

2.2 声学有限元法和主要应用软件介绍

2.3.1 流体力学基本概念

2.3.2 湍流模型

3 双模式消声器低频声学特性分析

3.1 基本消声结构的声学特性分析

3.1.1 扩张式结构的声学特性

3.1.2 内插管式结构的声学特性

3.1.3 亥姆霍兹共振腔结构的声学特性

3.1.4 泄露式亥姆霍兹共振腔声学特性

3.1.5 两颈部亥姆霍兹共振腔声学特性

3.1.6 两颈部共振腔声学特性实验分析

3.1.7 颈部插入式共振腔声学特性

3.2 双模式消声器声学有限元模型的建立

3.3 低频声学特性的分析

3.3.1 低频消声峰值产生原理分析

3.3.2 盘体与阀壳间隙对共振频率的影响分析

3.3.3 阀门开度对共振频率的影响分析

3.3.4 阀门尺寸对共振频率的影响分析

3.3.5 入口管插入长度对共振频率的影响分析

3.3.6 小孔在入口管上的位置对共振频率的影响分析

3.3.7 小孔直径对共振频率的影响分析

3.4 发动机转速与阀门开度的匹配

3.5 本章小结

4 双模式消声器流场特性分析

4.1 双模式消声器流场仿真

4.1.1 双模式消声器流场仿真模型的建立

4.1.2 边界条件的施加

4.1.3 临界状态下流场仿真结果与分析

4.1.4 阀门最大开度下流场仿真结果与分析

4.2 扭转弹簧参数的设计

4.3 双模式消声器与传统消声器流场特性的比较

4.4 结构参数对双模式消声器流场特性的影响分析

4.4.1 入口管插入长度对流场特性的影响

4.4.2 入口管上小孔直径对流场特性的影响

4.4.3 阀门尺寸参数对流场特性的影响

4.5 双模式消声器气流噪声的分析

4.6 本章小结

5 双模式消声器冷流实验研究

5.1 双模式消声器冷流实验台的搭建

5.2 双模式消声器冷流实验的步骤

5.3 实验压力损失结果与分析

5.4 实验气流噪声结果与分析

5.5 阀门开度与入口气流速度的关系

5.6 本章小结

6 总 结

6.1 总结

6.2 对后续研究工作的展望

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

C. 学位论文数据集

致谢