柴夢(mèng)達(dá)，薛鐵龍

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于CFD的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲分析

柴夢(mèng)達(dá)，薛鐵龍

Chai Mengda，Xue Tielong

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲，首先利用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)模型的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬；其次通過(guò)計(jì)算得到計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)分布，觀察打開(kāi)不同排氣歧管入口時(shí)消音器及尾管的內(nèi)部流線圖、催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部氣體流動(dòng)均勻性來(lái)研究分析發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管噪聲的產(chǎn)生原因。最后根據(jù)分析結(jié)果找出原結(jié)構(gòu)中不合理的部位，并提出2種對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)方案，以達(dá)到減小排氣阻力和排氣噪聲的目的。

計(jì)算流體力學(xué)；流場(chǎng)；排氣系統(tǒng)；流動(dòng)均勻性；噪聲

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，汽車的保有量迅速增加，汽車行駛速度也越來(lái)越快，帶來(lái)了日益嚴(yán)重的噪聲污染。有關(guān)文獻(xiàn)顯示，城市環(huán)境噪聲70%來(lái)源于機(jī)動(dòng)車輛[1]，汽車行駛中所產(chǎn)生的噪聲已經(jīng)成為最主要的交通噪聲污染源。較大的汽車噪聲會(huì)對(duì)乘員情緒產(chǎn)生影響，使其容易疲勞，從而減小駕乘樂(lè)趣[2]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的噪聲又是汽車噪聲中較為主要的一個(gè)方面，因此，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)汽車的噪聲污染問(wèn)題，一些發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)如何減小機(jī)動(dòng)車輛噪聲排放展開(kāi)研究，并制定了許多法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制[3]。我國(guó)也在這個(gè)領(lǐng)域展開(kāi)了一些研究和探索，并制定了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有效地推動(dòng)了汽車降噪工作的展開(kāi)[4]。

傳統(tǒng)的研究方法主要是針對(duì)消音器部分，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定采用不同尺寸、形狀消音器時(shí)排氣系統(tǒng)噪聲的大小以確定改進(jìn)方案。然而這種研究方法具有試驗(yàn)受到現(xiàn)實(shí)條件限制和成本較高等缺點(diǎn)，已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代研究的需要。近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynam ics，CFD）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車各方面的模擬，也包括對(duì)汽車噪聲污染的研究，相對(duì)于傳統(tǒng)研究方法，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以代替難以實(shí)施的試驗(yàn)、節(jié)省研發(fā)經(jīng)費(fèi)，更加快捷，且準(zhǔn)確性也可以得到保證[5]。文獻(xiàn)[1]運(yùn)用 GT-power軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仿真模型，分析進(jìn)排氣管長(zhǎng)度對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率的影響[6]；文獻(xiàn)[2]采用GT-power軟件對(duì)某汽油機(jī)進(jìn)排氣口噪聲進(jìn)行了模型計(jì)算，得到管口處的聲學(xué)特性，并進(jìn)行了該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口處的噪聲試驗(yàn)，以驗(yàn)證進(jìn)氣口噪聲模擬計(jì)算結(jié)果[7]；文獻(xiàn)[3]利用三維建模軟件UG建立仿真計(jì)算所需的幾何模型，用Fluent軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)排氣系統(tǒng)進(jìn)行三維瞬態(tài)數(shù)值模擬，得到其內(nèi)部的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和湍動(dòng)能場(chǎng)的分布[8]。

文中以CFD為基礎(chǔ)，使用流體數(shù)值模擬軟件STAR-CCM+對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行模擬分析，研究其內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)考察氣體流動(dòng)均勻性，并在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)意見(jiàn)，盡可能減小排氣系統(tǒng)噪聲。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 模型的建立

仿真模型來(lái)自某車型排氣系統(tǒng)的三維CAD模型。為了節(jié)約計(jì)算成本和時(shí)間，在確保計(jì)算結(jié)果正確可靠的前提下，對(duì)模型進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化。由于主要目的是研究排氣系統(tǒng)內(nèi)部噪聲的情況，所以忽略一些外部特征，例如彈簧等外凸裝置以簡(jiǎn)單的曲面代替，其他對(duì)計(jì)算結(jié)果有重要影響的部位盡量保留下來(lái)。接下來(lái)將 CAD模型導(dǎo)入Hypermesh中進(jìn)行簡(jiǎn)化并且劃分面網(wǎng)格，再將面網(wǎng)格導(dǎo)入Tgrid中劃分體網(wǎng)格。模型表面附近生成5層網(wǎng)格以計(jì)算附面層的影響，其余區(qū)域使用四面體網(wǎng)格，經(jīng)過(guò)處理后的模型如圖1所示。

1.2 計(jì)算參數(shù)和邊界條件

1.2.1 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

為了提高計(jì)算的精確性，仿真計(jì)算采用Realizable K-epsilon湍流模型，適用于涉及快速應(yīng)變、中等渦、局部轉(zhuǎn)捩的復(fù)雜剪切流動(dòng)（如邊界層分離、塊狀分離、渦的后臺(tái)階分離、室內(nèi)通風(fēng)等），空間離散采用二階迎風(fēng)差分格式。迭代方式采用Simple算法，這種算法是計(jì)算不可壓流場(chǎng)的主要方法[9]。

1.2.2 邊界條件設(shè)置

為了更好地研究分析發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中的流場(chǎng)情況，將排氣歧管的4個(gè)入口進(jìn)行編號(hào)1、2、3、4，每次只打開(kāi)其中1個(gè)入口而關(guān)閉其他3個(gè)入口，進(jìn)行4次模擬，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得計(jì)算域入口質(zhì)量流量為 0.090 1 kg/s，觀察不同入口的氣流影響。每次模擬的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

1.3 排氣系統(tǒng)噪聲分析

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)情況復(fù)雜，單從一個(gè)方面考慮難以全面地了解其內(nèi)部噪聲情況，文中主要通過(guò)催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流動(dòng)均勻性分析、消音器及尾管流動(dòng)噪聲來(lái)進(jìn)行考慮。

1.3.1 流動(dòng)均勻性分析

氣體流動(dòng)均勻性是指氣體的物理特性在空間各點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果相同的程度。在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中，氣體流動(dòng)均勻性越差，流動(dòng)越不穩(wěn)定，越容易產(chǎn)生湍流，相對(duì)地噪聲也就越大。利用STAR-CCM+軟件可以得到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)中的流場(chǎng)流動(dòng)均勻性，從而來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)氣體流動(dòng)均勻性和噪聲緊密相關(guān)，要研究各種因素對(duì)流動(dòng)均勻性的影響，必須對(duì)流動(dòng)均勻性給出合理的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以便找出改善載體流動(dòng)特性的有效辦法。Wendland和Matthes[10]曾用不均勻性指數(shù)研究了載體的流動(dòng)問(wèn)題，定義不均勻性指數(shù)

其中，wpeak、wmean分別為截面最大速度和平均速度。這種定義的好處是簡(jiǎn)單方便，但是只反映了極值點(diǎn)的流動(dòng)均勻性，文中采用 Weltens[11]等人定義的氣體流動(dòng)均勻性

其中，wi為節(jié)點(diǎn)單元的速度；wmean為平均速度。

n為指定面上的節(jié)點(diǎn)單元數(shù)目。顯然，這里用均方差定義的均勻性指數(shù)能夠更加合理、全面地反映整個(gè)載體截面的流動(dòng)分布特性。

在前級(jí)催化轉(zhuǎn)化器中間面取一個(gè)截面，通過(guò)觀察該截面上的流動(dòng)均勻性來(lái)評(píng)估前級(jí)載體流動(dòng)均勻性，在后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器中間面取一個(gè)截面，通過(guò)觀察該截面上的流動(dòng)均勻性來(lái)評(píng)估后級(jí)載體流動(dòng)均勻性。當(dāng)流動(dòng)均勻性值較小時(shí)，認(rèn)為其流動(dòng)均勻性比較差，產(chǎn)生較大的噪聲；當(dāng)流動(dòng)均勻性值較大時(shí)，認(rèn)為其流動(dòng)均勻性較好，該部位噪聲較小,通過(guò)仿真得到的載體流動(dòng)均勻性如圖3。

由圖 3中可以看出，前級(jí)載體的流動(dòng)均勻性為0.96，而后級(jí)載體流動(dòng)均勻性為0.89。相對(duì)地，在前級(jí)部分氣流流動(dòng)比較均勻，不容易產(chǎn)生渦流，從而前級(jí)產(chǎn)生的噪聲也相對(duì)較小，后級(jí)流動(dòng)均勻性較差，流動(dòng)相對(duì)不均勻，氣流在這個(gè)部分容易產(chǎn)生渦流，相對(duì)地噪聲也較大。

1.3.2 內(nèi)部流線圖分析

分析其流動(dòng)均勻性只能定性地評(píng)估排氣系統(tǒng)的噪聲情況。在STAR-CCM+繪制出氣體流線圖，可以通過(guò)流線圖來(lái)具體觀察排氣系統(tǒng)內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)情況，這種方式較為直觀，分別打開(kāi) 4個(gè)入口中的1個(gè)而關(guān)閉其他3個(gè)，通過(guò)氣體流線圖來(lái)分析消音器及尾管流動(dòng)噪聲。

將4個(gè)排氣歧管分別編號(hào)，當(dāng)只打開(kāi)入口1，關(guān)閉其他3個(gè)入口時(shí)，得到如圖4所示的內(nèi)部流線圖。

從圖4可以看出，歧管入口1排出的廢氣在排氣管中內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒(méi)有旋流產(chǎn)生；后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動(dòng)阻力增加。

當(dāng)只打開(kāi)入口2，關(guān)閉其他3個(gè)入口時(shí)，得到如圖5所示的內(nèi)部流線圖。

從圖5中可以看出，歧管入口2排出的廢氣在排氣管內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒(méi)有旋流產(chǎn)生。

圖 6顯示，后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動(dòng)阻力增加；歧管內(nèi)產(chǎn)生紊亂的渦流，造成歧管流動(dòng)阻力增加。

當(dāng)只打開(kāi)入口3，關(guān)閉其他3個(gè)入口時(shí)，得到如圖7所示的內(nèi)部流線圖。

從圖7中可以看出，歧管入口3排出的廢氣在排氣管內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒(méi)有旋流產(chǎn)生；而后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動(dòng)阻力增加；圖中圓圈處折轉(zhuǎn)角較為急劇，增加流動(dòng)阻力；歧管內(nèi)產(chǎn)生紊亂的渦流，造成歧管流動(dòng)阻力增加。

當(dāng)只打開(kāi)入口4，關(guān)閉其他3個(gè)入口時(shí)，得到如圖8所示的內(nèi)部流線圖。

從圖8中可以看出，歧管入口4排出的廢氣在排氣管內(nèi)部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒(méi)有旋流產(chǎn)生；而后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口錐內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，造成局部流動(dòng)阻力增加；歧管內(nèi)產(chǎn)生紊亂的渦流，造成歧管流動(dòng)阻力增加。

在氣流流動(dòng)較為通順的區(qū)域，沒(méi)有旋流產(chǎn)生，相對(duì)噪聲較小，而在產(chǎn)生紊亂渦流的區(qū)域，由于流動(dòng)阻力的增加，也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生流動(dòng)噪聲。

1.3.3 總結(jié)

通過(guò)對(duì)流體流動(dòng)均勻性和內(nèi)部流線圖的分析可以看出：前級(jí)催化轉(zhuǎn)化器的流動(dòng)均勻性平均值為 0.96，流動(dòng)均勻性良好，后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器流動(dòng)均勻性平均值為0.89，相比前級(jí)會(huì)產(chǎn)生較大噪聲；歧管以及后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口錐有渦流產(chǎn)生，會(huì)造成局部流通阻力增加；后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器載體內(nèi)高速區(qū)域低于指標(biāo)，表明載體有效利用面積略少。

2 優(yōu)化方案

根據(jù)分析得到的結(jié)論，該排氣系統(tǒng)總體噪聲情況較好，但應(yīng)對(duì)一些部位進(jìn)行改動(dòng)以進(jìn)一步減小流動(dòng)噪聲。

該系統(tǒng)后級(jí)載體流動(dòng)均勻性以及高速區(qū)域值較差，并且后級(jí)載體進(jìn)口錐段內(nèi)產(chǎn)生渦流，均易產(chǎn)生流動(dòng)噪聲。根據(jù)以上分析提出以下建議。

方案1，增大圖9中所示的排氣管的管徑。

在流線圖的分析中可以看出此處的管徑較小，氣體轉(zhuǎn)角較為劇烈，通過(guò)此處的流動(dòng)阻力較大，從而產(chǎn)生流動(dòng)噪聲。可以增大此處管徑，使氣流平穩(wěn)通過(guò)，以減小氣流噪聲。

方案2，后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器選用直徑略小的載體。

跟方案 1相似，氣流從排氣管進(jìn)入后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器時(shí)，所經(jīng)過(guò)的轉(zhuǎn)角較大?？梢栽诓桓淖児軓降那闆r下，后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器選用直徑略小的載體，也可以起到減小流動(dòng)阻力的效果。

方案1和方案2都是為了使氣流在后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器處能平穩(wěn)通過(guò)，采用不同方式來(lái)減小流動(dòng)阻力，從而達(dá)到抑制流動(dòng)噪聲的目的。

3 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)汽車排氣系統(tǒng)的數(shù)值模擬計(jì)算，得到計(jì)算域內(nèi)流場(chǎng)分布，分析其內(nèi)部流場(chǎng)特性和氣動(dòng)阻力產(chǎn)生的原因。

2）分別考察催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)流動(dòng)均勻性和打開(kāi)不同歧管入口時(shí)消音器及尾管內(nèi)部流線圖，具體研究分析了噪聲產(chǎn)生的部位和原因。

3）分析表明后級(jí)催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)口處易產(chǎn)生渦流從而產(chǎn)生流動(dòng)噪聲，根據(jù)分析結(jié)果提出 2種改進(jìn)方案以達(dá)到減小噪聲的目的。

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