張 敏，李 毅，蔣光兵，蔣 猛

（西南大學(xué)，重慶 北碚 400716）

消聲器作為針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的主要消聲降噪裝置，已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用。消聲器消聲的基本原理就是通過(guò)逐漸降低排氣壓力和衰減排氣壓力的脈動(dòng)使排氣能量耗散殆盡，最終降低排氣噪聲。消聲器在降低噪聲的同時(shí)，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)排氣背壓，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力，因此在消聲器設(shè)計(jì)時(shí)，如何平衡功率降低和降噪的矛盾，是當(dāng)前該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在一些高檔的發(fā)動(dòng)機(jī)消聲器的設(shè)計(jì)也由傳統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)手段，即：近似理論+經(jīng)驗(yàn)+試驗(yàn)，轉(zhuǎn)向?yàn)榻?jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)分析相結(jié)合、輔以先進(jìn)的測(cè)試手段的設(shè)計(jì)，并取得了較好的效果。

然而對(duì)于小型通用動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其排氣系統(tǒng)形狀簡(jiǎn)單、氣流速度不高，整機(jī)價(jià)格低廉，任然還在使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使得其降噪效果很差或發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力下降較大，不能滿足市場(chǎng)的需求。因此，本文以草坪割草機(jī)載用的140AE(單缸4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，缸徑40mm)發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，利用Gambit軟件對(duì)消聲器進(jìn)行模型建立和網(wǎng)格劃分，采用Fluent軟件對(duì)消聲器內(nèi)部氣流計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算。并根據(jù)所得到的氣流的速度場(chǎng)、湍流強(qiáng)度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化分布對(duì)消聲器的影響進(jìn)行分析，調(diào)整和修改消聲器的物理模型而進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約消聲器開(kāi)發(fā)成本，縮短其開(kāi)發(fā)周期。

1 模型建立

1.1 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)草坪割草機(jī)的特點(diǎn)，該消聲器要求體積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此消聲器優(yōu)化后總長(zhǎng)為77mm；入口和出口直徑為6mm，入口管長(zhǎng)為10mm，出口管長(zhǎng)度為20mm；一共分為兩個(gè)膨脹腔，前一個(gè)膨脹腔是后一個(gè)膨脹腔的2倍，在腔隔板上分布著呈180°直徑為6mm的兩個(gè)內(nèi)插管；消聲器膨脹腔擴(kuò)張比為14，消聲器腔體長(zhǎng)度與腔體直徑比為2，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 消聲器流動(dòng)動(dòng)力學(xué)的基本假設(shè)

對(duì)消聲器的流場(chǎng)進(jìn)行研究，對(duì)其工作條件做出如下簡(jiǎn)化與假設(shè)：①流體為定常流動(dòng)中的湍流；②消聲器固體區(qū)和流體區(qū)的物理參數(shù)均為常數(shù)；③消聲器入口流體流速為勻速，無(wú)脈沖影響；④不考慮重力影響。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2.2 建立控制方程

消聲器內(nèi)部空氣密度變化較小，視為不可壓縮湍流流動(dòng)，本文使用Realizablek-湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并且使用SMPLEC算法，方程的離散方式除壓力外均采用二階迎風(fēng)格式。

（1）消聲器基本控制方程有：

（2）消聲器的邊界條件設(shè)置。對(duì)消聲器進(jìn)行定性分析，確定邊界條件類型，設(shè)置正常的進(jìn)氣速度約為70m/s,邊界條件設(shè)置如下。①入口邊界條件：入口采用速度邊界條件，入口溫度設(shè)置為700K，入口速度為70m/s;②出口邊界條件：出口采用壓力邊界條件，設(shè)置出口壓力為0kPa,出口溫度為環(huán)境溫度300K;③壁面邊界條件：壁面無(wú)滑移，對(duì)流換熱系數(shù)100W/（m2·k），壁厚為1mm，溫度為500K。

2 利用Gambit對(duì)草坪割草機(jī)消聲器進(jìn)行繪制與劃分網(wǎng)格

2.1 消聲器計(jì)算域模型的定義和簡(jiǎn)化

消聲器計(jì)算域是指消聲器內(nèi)部氣體可以流過(guò)的區(qū)域，即利用三維建模軟件將氣體流通的位置進(jìn)行實(shí)體填充，對(duì)填充的實(shí)體部分進(jìn)行分析。對(duì)消聲器物理模型的建立可利用GAMBIT、TGrid、Filters等軟件。本文中利用GAMBIT對(duì)消聲器進(jìn)行物理模型建立和網(wǎng)格劃分。

2.2 消聲器物理模型繪制以及網(wǎng)格化

Gambit是為了幫助分析者和設(shè)計(jì)者建立網(wǎng)格化計(jì)算流體力學(xué)模型和其他科學(xué)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的軟件，本文利用Gambit對(duì)消聲器計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行劃分。劃分結(jié)果得到884139個(gè)單元，1798326個(gè)面，162500個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3 fluent對(duì)消聲器進(jìn)行求解

在fluent里對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行迭代運(yùn)算，觀察殘差曲線是否在設(shè)定范圍內(nèi)，直至迭代顯示為收斂。經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，消聲器計(jì)算域在迭代192次后，滿足要求，計(jì)算后其質(zhì)量等滿足守恒要求，視為計(jì)算收斂。

4 各流場(chǎng)分析

4.1 速度場(chǎng)分析

如圖2所示，為所設(shè)計(jì)消聲器速度場(chǎng)分布圖，由圖可看出氣流以大約70m/s的速度進(jìn)入消聲器，以幾乎相等的速度流出，可見(jiàn)流體在整個(gè)消聲器中的動(dòng)能損失幾乎為零。同時(shí)在消聲器各壁面處速度為零。在第一腔中，氣流第一次膨脹，速度逐漸減小，但在多處氣流速度都幾乎為零；由第一腔流入插入管的過(guò)程中，流體速度增加，但流速任然小于入口速度；由插入管流入第二腔時(shí)速度再次呈逐漸減小的特點(diǎn)分布；在第二膨脹腔到出口管附近氣流速度增加。發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高溫高壓氣體高速的通過(guò)排氣門(mén)進(jìn)入消聲器中，氣流通過(guò)膨脹腔時(shí)，由于截面積突然增大使得氣流迅速擴(kuò)張，從而降低氣流流速，使得排氣噪聲衰減。

圖2 消聲器速度場(chǎng)云圖

4.2 湍流強(qiáng)度場(chǎng)分析

如圖3所示為氣流在消聲器中的湍流強(qiáng)度分布圖。湍流強(qiáng)度可描述流速隨時(shí)間和空間變化的程度，反映脈動(dòng)流速的相對(duì)強(qiáng)度，是描述氣流湍流運(yùn)動(dòng)特性的重要的特征量。由圖3可發(fā)現(xiàn)湍流強(qiáng)度出現(xiàn)高值主要有5處，將圖3與圖2相對(duì)照，發(fā)現(xiàn)這5處只要位于速度值從較高值變?yōu)?值附近或是從較低值變?yōu)楦咧蹈浇?；并在消聲器出口管處出現(xiàn)高值。在膨脹腔內(nèi)聯(lián)管周圍可看到消聲器氣體流速多處為零，湍流強(qiáng)度較大，應(yīng)考慮研究插入管的位置（與膨脹腔中心軸的距離）變化情況，確定最優(yōu)的內(nèi)聯(lián)管位置，提高消聲器的消聲性能。

4.3 壓力場(chǎng)分析

如圖4所示為消聲器的壓力分布圖，由視圖4可看出消聲器壓力呈逐漸降低的趨勢(shì)分布，入口壓力約為34800Pa，在第一腔中的壓降約為9400Pa,第二腔中的壓力降約為11400Pa。并發(fā)現(xiàn)在第一腔的兩個(gè)腔體角處壓力低于其周圍的壓力；在每個(gè)腔體中的壓力幾乎相等，氣體通過(guò)擴(kuò)張腔和收縮管時(shí)可看出壓力變化較大。設(shè)計(jì)的消聲器突變壓力較大，總的聲壓降較大，在后期的改進(jìn)設(shè)計(jì)中可適當(dāng)?shù)脑黾优蛎浨婚L(zhǎng)度與膨脹室直徑的比值。在消聲器設(shè)計(jì)中各膨脹腔的長(zhǎng)度，影響消聲器的頻譜移動(dòng)，因此還應(yīng)合理設(shè)計(jì)消聲器各膨脹腔的長(zhǎng)度，從而提高消聲效果。

圖3 消聲器湍流強(qiáng)度場(chǎng)云圖

圖4 消聲器壓力場(chǎng)云圖

4.4 溫度場(chǎng)分析

如圖5所示為消聲器溫度場(chǎng)分布圖，由此可看出，氣體的入扣溫度約為700k，在第一腔體中的溫度約為662k，在出口處的溫度約為610k。溫度總體降低約為90k。在圖中明顯看到有四處的溫度在整個(gè)溫度變化中處于最低，根據(jù)其速度場(chǎng)、湍流強(qiáng)度場(chǎng)不難得出主要是因?yàn)闅饬髟趲滋幩俣容^低形成的。

圖5 消聲器溫度場(chǎng)云圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)氣流通過(guò)該消聲器膨脹腔時(shí)，膨脹腔中的隔板阻擋了大量的能量，氣流只能通過(guò)隔板上的內(nèi)聯(lián)管進(jìn)入下一個(gè)腔室，本設(shè)計(jì)在消聲器筒內(nèi)一共有兩個(gè)膨脹腔，氣流被反復(fù)地分流，膨脹，分流，氣體能量得到大大釋放，噪聲的能量也就被大大降低了，從而起到消聲的作用。

（2）結(jié)合CFD仿真技術(shù)，對(duì)消聲器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行模擬并進(jìn)行數(shù)值分析，可以真實(shí)地反映出消聲器內(nèi)部流場(chǎng)的流體流動(dòng)及壓力分布情況，為研究消聲器的空氣動(dòng)力學(xué)特性提供了有效的工具，并科學(xué)高效地縮短了消聲器的開(kāi)發(fā)周期，從而大大節(jié)約了時(shí)間、人力等成本。

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