鄒 琳，金華勝，易小軍，王三武，夏德印

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

近年來伴隨國民經(jīng)濟的快速增長，汽車的保有量飛速上升，隨之而來交通噪聲污染現(xiàn)象日益突出，其中排氣系統(tǒng)噪聲在汽車噪聲中占有較大的比例，而消聲器是降低排氣系統(tǒng)噪聲最直接有效的方法，因此對消聲器結構進行相關研究與分析非常必要。

目前已有大量學者對此展開相關研究，國內(nèi)羅虹等[1]對某阻抗復合排氣管應用數(shù)值分析方法進行流場、溫度場和聲場分析，與試驗結果相吻合；李以農(nóng)等[2]通過對消聲器內(nèi)部流場及溫度場數(shù)值模擬研究，得出在滿足消聲性能的前提下盡量減少壓力損失，而減少穿孔結構能有效地降低壓力損失的結論；馬家義等[3]以試驗與仿真相結合方法對消聲器進行分析研究，探明流速和內(nèi)部結構是影響消聲器性能的重要因素。國外Davies[4]運用聲衰減公式運算方法，分析得到在均流情景下耦合空氣熱粘性因素的多種類型管道結

構消聲器的傳遞矩陣；隨后Bernard等[5]運用有限元方法對消聲器內(nèi)部腔體與外部形狀結構進行了總體優(yōu)化設計；Selamet等[6]針對前后擴張內(nèi)腔并插入內(nèi)插管結構消聲器的各個基本幾何結構因素，例如進出口直徑、進出口腔體面積比與腔體尺寸等影響消聲器聲學性能的規(guī)律進行了分析研究，最后利用具體試驗進行了結果驗證。

筆者針對某微車排氣系統(tǒng)中兩種不同結構后消聲器進行三維流動數(shù)值以及聲學特性分析，深入探討不同結構后消聲器對流場特性與聲學特性的影響。

1 后消聲器流場特性分析

1.1 計算模型

某微車使用的兩款后消聲器如圖1所示，分別為二腔消聲器與三腔消聲器。兩款后消聲器部分結構參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 后消聲器結構圖

擴張比進出口半徑/mm內(nèi)腔面積/mm2腔體總長/mm前腔長度/mm后腔長度/mm隔板孔直徑/mm穿孔直徑/mm20.9820.126 625.0446.0195.8246.64.03.5

表2 三腔后消聲器的結構參數(shù)

1.2 邊界條件

將后消聲器內(nèi)部介質設置為常溫常壓下的空氣。計算模型為標準K-ε模型，模擬仿真算法選擇SIMPLE算法，流場仿真過程采用有限體積法。設置后消聲器流道入口為速度入口，選取進口為速度邊界，入口速度設定為60 m/s。設置后消聲器出口為壓力邊界條件，相對大氣壓的參考壓力為0。其余都默認為Wall面，壁面無滑移，流體在后消聲器壁面邊界上速度為0。

1.3 后消聲器流場特性分析

利用流體沿后消聲器內(nèi)部結構流動時腔體內(nèi)部各平面的流場狀況來觀察后消聲器各部分的流場，并找出影響后消聲器壓力損失的結構因素。由于后消聲器中腔室數(shù)目較多，穿孔處長度較長，以后消聲器進氣口面為基準平面，對后消聲器進行切面，以切面與基準平面的距離x的大小命名平面，觀察后消聲器內(nèi)部各平面流場情況。

1.3.1 二腔后消聲器內(nèi)部流場分析

圖2為穩(wěn)態(tài)情況下二腔后消聲器內(nèi)部流場跡線分布圖，其中后消聲器左端為入口，右端為出口。圖2(a)和圖2(b)中氣流由進氣口進入進氣內(nèi)插管，由于進氣內(nèi)插管穿孔數(shù)目較少，氣流從進氣內(nèi)插管穿孔處高速排入后消聲器前腔中，形成強度極高的渦流，進入排氣內(nèi)插管中。圖2(c)中進氣內(nèi)插管穿孔處排出的氣流通過隔板孔，由于截面面積的變化，在隔板孔處出現(xiàn)氣流摩擦干擾，使隔板右平面流場中的渦流與擾流減少。圖2(d)和圖2(e)中排氣內(nèi)插管穿孔處平面也出現(xiàn)劇烈的渦流，由于排氣管內(nèi)插穿孔數(shù)目較多，氣流速度降低，因此渦流范圍變大，強度減弱。圖2(f)中氣流由進氣內(nèi)插管排氣口進入后腔，進氣內(nèi)插管平面流場趨向穩(wěn)定，擾流較弱，說明大量氣體由進氣內(nèi)插管穿孔處排出，氣流由進氣內(nèi)插管排氣口流量較少。

由上述分析可知：①氣流經(jīng)過內(nèi)插管穿孔處時，氣流數(shù)目增多，擾流增多，出現(xiàn)渦流，氣流間互相干涉增多，并且穿孔數(shù)目越少，氣流流動越劇烈；②除穿孔外，隔板孔對氣流間的干涉也較顯著。由于內(nèi)插管穿孔與隔板孔相對于腔體半徑較小，導致氣流在這些地方出現(xiàn)大渦，渦流之間劇烈干擾與摩擦是導致后消聲器壓力損失增大的主要原因；③二腔后消聲器前腔后腔內(nèi)部均有較劇烈的流場，壓力脈動較大，氣流通過隔板后流量與速度仍較大，但由于腔體較長，氣流由進氣內(nèi)插管排氣口流出時，后腔后段流場較平穩(wěn)，總體流場平穩(wěn)性較差，擾流渦流較多且擾動十分劇烈。

1.3.2 三腔后消聲器內(nèi)部流場分析

圖3為穩(wěn)態(tài)情況下三腔后消聲器內(nèi)部流場跡線分布圖，后消聲器右端為入口，左端為出口，渦流主要出現(xiàn)在中腔。氣流由進氣口進入進氣內(nèi)插管，通過進氣內(nèi)插管穿孔大量流入后消聲器中腔，再透過隔板1進入后消聲器前腔，圖3(b)中腔平面上的流場雖出現(xiàn)部分渦流，但渦流并不劇烈，流場較為穩(wěn)定，圖3(a)中氣流通過隔板1到達前腔，流場已經(jīng)十分穩(wěn)定。圖3(c)和圖3(d)中，氣流在中腔進氣插管穿孔處和排氣內(nèi)插管穿孔處以極快的速度流出進入中腔，導致進、排氣內(nèi)插管穿孔平面重合處出現(xiàn)流量較大、強度較高的渦流。隨著氣流在內(nèi)插管中流動，距離穿孔處較遠的平面上擾流與渦流的流量明顯減少，強度降低，故圖3(e)中流場趨于穩(wěn)定，氣流強度與流量較小。氣流由進氣內(nèi)插管排氣口流入后腔，氣體與壁面相撞后產(chǎn)生較強回流，圖3(h)中平面接近進氣內(nèi)插管排氣口時，該平面流場出現(xiàn)大渦，渦流較劇烈，流量較大，說明回流與進氣內(nèi)插管出口排出的氣流相遇產(chǎn)生大渦。圖3(g)靠近隔板2，距離進氣內(nèi)插管排氣口面稍遠，流場趨于平緩。圖3(f)中氣流從后腔通過隔板2流入中腔，流場十分穩(wěn)定。

由上述分析可知：①三腔后消聲器較劇烈的流場主要位于中腔與后腔，3個腔室的結構有利于減小由劇烈渦流和擾流帶來的振動，但內(nèi)部結構復雜，氣流在通過兩個隔板時，流量與速度會迅速降低，造成壓力損失。后腔長度較短，進氣內(nèi)插管排氣管口平面流場渦流強度較強，說明氣流混合后速度較大，回流較強，容易產(chǎn)生渦流；②三腔后消聲器流場中的渦流與擾流主要集中在進氣內(nèi)插管上第一排穿孔所在平面的周圍，并且由于內(nèi)插管上的孔、腔體與兩處隔板的作用，前腔、后腔渦流強度與流量均小于二腔后消聲器，但三腔后消聲器中腔內(nèi)部流場十分劇烈，氣流在中腔內(nèi)易產(chǎn)生流量與強度較高的大渦，導致壓力損失的產(chǎn)生。

圖2 二腔后消聲器跡線圖

1.3.3 后消聲器結構對內(nèi)部流場影響分析

后消聲器渦流主要分布在內(nèi)插管穿孔、進氣內(nèi)插管出氣口、排氣內(nèi)插管進氣口、隔板等平面周圍。內(nèi)插管上的穿孔與隔板孔對后消聲器內(nèi)部流場影響最大，內(nèi)插管上的孔較少時，氣流從內(nèi)插管上的孔流出的速度增大，進入中腔后極易產(chǎn)生渦流；氣流通過隔板孔時，隔板孔數(shù)越少，氣流通過截面面積越小，壓力損失越大；中、后腔長度也對內(nèi)部流場有一定影響，三腔后消聲器內(nèi)插管上的孔全部集中在中腔，增大中腔長度有利于平穩(wěn)中腔內(nèi)的流場；進氣內(nèi)插管排氣口位于后腔，后腔越長，氣流進入后腔的速度越小，與后腔壁撞擊速度減小，回流減弱，渦流強度降低。

圖3 三腔后消聲器跡線圖

1.4 后消聲器壓力損失分析

圖4為二腔后消聲器進出口面壓力云圖，圖5為三腔后消聲器進出口面壓力云圖。兩款后消聲器進出口面積相等，壓力損失可看作兩端的靜壓之差。由后消聲器壓力云圖得到二腔后消聲器壓力損失值為5 239.2 Pa，三腔后消聲器壓力損失值為5 216.3 Pa。兩款后消聲器壓力損失相差較小，二腔后消聲器壓力損失稍大。

圖4 二腔后消聲器進出口面壓力云圖

圖5 三腔后消聲器進出口壓力云圖

2 后消聲器的聲學分析

筆者以傳遞損失評價消聲器聲學性能[7]，消聲器傳遞損失的定義是消聲器的進、出口端面聲功率級之差，傳遞損失計算公式為：

TL=10×lg(W1/W2) =Lw1-Lw2

(1)

式中：TL為消聲器的傳遞損失；W1為消聲器進口端的聲功率；W2為消聲器出口端的聲功率；Lw1為消聲器進口端的聲功率級；Lw2為消聲器出口端的聲功率級。

2.1 后消聲器計算模型

采用LMS Virtual-lab解析后消聲器聲場，將劃分的網(wǎng)格模型導入LMS Virtual-lab的聲學模塊中進行前處理，對體積網(wǎng)格的法向方向進行改良，令網(wǎng)格法向符合指向外側的要求。完成前處理過程后，后消聲器腔體表面獲取得到包絡面網(wǎng)格，如圖6和圖7所示，從而使網(wǎng)格文件能夠用于聲壓運算。

圖6 二腔后消聲器包絡面網(wǎng)格

圖7 三腔后消聲器包絡面網(wǎng)格

2.2 邊界設定

將進口處設置為聲振動速度入口，聲振動速度設置為-1 m/s，負號表示聲波向后消聲器內(nèi)部傳播。在仿真時運用聲阻抗定義，設置出口面為全吸聲邊界條件，模擬無反射邊界狀況。設置聲波傳播的介質是空氣，聲波在空氣中的傳播速度、空氣的密度等物理量在溫度發(fā)生變化時也會出現(xiàn)很大變化，密度與音速隨溫度的變化如表3所示。

表3 密度與音速隨溫度變化表

傳遞損失計算里的空氣溫度值設置為400 ℃[8]，此時空氣密度為0.524 kg/m3，聲速為520 m/s。后消聲器的頻率范圍定在20～2 000 Hz之間[9]，根據(jù)噪聲頻率成分分布將噪聲頻率分類為低頻頻段20～300 Hz、中頻頻段300～1 000 Hz、高頻頻段1 000～2 000 Hz 3個頻段，然后分別對3個頻段的傳遞損失總量進行運算，再將傳遞損失總量除以頻段頻率數(shù)，得到各個頻段的傳遞損失平均值，以各頻段傳遞損失平均值為指標，對傳遞損失進行定量分析。

2.3 傳遞損失分析

圖8為二腔、三腔后消聲器的傳遞損失與聲波頻率分布圖，從圖8中可得：①低頻頻段內(nèi)二腔、三腔后消聲器傳遞損失平均值分別為10.63 dB、10.89 dB，兩值極為接近，兩款后消聲器在低頻區(qū)整體消聲量較低；②中頻頻段內(nèi)，三腔后消聲器在680 Hz處到達峰值65.9 dB，而二腔后消聲器在570 Hz處到達峰值45.8 dB，二腔、三腔后消聲器在該區(qū)間的傳遞損失平均值依次為25.1 dB、33.4 dB，對比分析可以看出三腔后消聲器在中頻多數(shù)頻段內(nèi)傳遞損失明顯高于二腔后消聲器，說明三腔后消聲器中頻頻段消聲效果明顯優(yōu)于二腔后消聲器；③在高頻頻段內(nèi)，二腔后消聲器在高頻頻段內(nèi)的多數(shù)頻段內(nèi)傳遞損失值高于三腔后消聲器，其中二腔后消聲器在1 280 Hz處到達全頻峰值79.4 dB，二腔、三腔后消聲器在該區(qū)間的傳遞損失均值分別為22.3 dB、15.11 dB，由此可知二腔后消聲器高頻頻段消聲效果優(yōu)于三腔后消聲器。汽車排氣噪聲以中低頻噪聲較為顯著并難以消除[10]，三腔后消聲器排氣噪聲針對性較強，聲噪特性綜合效果較好。

圖8 后消聲器傳遞損失曲線

3 結論

筆者針對兩款后消聲器運用數(shù)值模擬方法，分析其內(nèi)部流場特性與聲學特性，得出以下結論：

(1)內(nèi)插管穿孔與隔板孔對后消聲器內(nèi)部流場影響最大，腔室長度對內(nèi)部流場也有一定的影響。內(nèi)插管上的孔較少時，氣流從內(nèi)插管上的孔流出的速度增大，進入腔室后極易產(chǎn)生渦流；氣流通過隔板孔時，隔板孔數(shù)越少，氣流通過截面面積越小，壓力損失越大；腔體越長，氣流在腔體中的速度越小，與后腔壁的撞擊后速度減小，回流減弱，渦流強度降低；

(2)二腔后消聲器壓力損失值為5 239.2 Pa，三腔后消聲器壓力損失值為5 216.3 Pa，兩款后消聲器壓力損失值較為接近，二腔后消聲器壓力損失稍大；

(3)二腔、三腔后消聲器傳遞損失值，在低頻頻段內(nèi)為10.63 dB、10.89 dB，兩值極為接近；中頻頻段中為25.1 dB、33.4 dB，可知三腔后消聲器性能較優(yōu)；高頻頻段內(nèi)為22.3 dB、15.11 dB，二腔后消聲器消聲效果更好；綜合可知三腔后消聲器較優(yōu)。