基于cfd仿真和试验的抗性消声器研究（可复制论文）.pdf

山东大学
博士学位论文
基于CFD仿真和试验的抗性消声器研究
姓名:胡效东
申请学位级别:博士
专业:机械电子工程
指导教师:周以齐
20070410
摘要本论文用计算流体动力学褪匝榉ㄑ芯靠剐韵鞯牧魈宥学特性和消声特性。研究工作包括:抗性消声器的压力损失随消声器的结构参数和边界条件的变化规律;用试验法验证ḿ扑憧剐韵餮沽λ失的有效性:用频谱分析法研究所设计的抗性消声器产品的消声特性,结合抗性消声器的流体动力学特性研究抗性消声器的综合性能。本论文主要目的是提供一个基于抡婧褪匝橄嘟岷系目剐韵髡褰峁股杓品椒ǎ通过在设计中综合考虑流体动力学特性和声学特性提高抗性消声器的设计抗性消声器是控制内燃机排气噪声的主要技术措施。大量柴油机汽车和工程机械应用,所带来的噪声问题已成为环境污染的重要问题之一,作为主要噪声源之一的排气噪声一直是降低柴油机噪声的研究重点。衡量抗性消声器的性能指标主要包括:插入损失、压力损失、装配性能、结构工艺性和使用寿命。插入损失就是在给定测点处安装消声器前后声压级之差,代表消声器的消声性能。压力损失代表发动机的功率损失比,就是在消声器工作过程中,输入管和输出管内的平均全压差。消声器的外形结构设计受到汽车或工程机械的安装尺寸的限制,在规定的安装空间限制下,消声器产品的内部结构应在良好加工工艺性的基础上,满足各项性能指标的设计要求。抗性消声器研究涉及声学、流体动力学、传热和机械设计等技术领域。声学性能一直是抗性消声器的研究重点,传统的消声器声学性能研究主要是基于一维声波理论的传递矩阵法,该方法适用于简单结构消声器,但不能有效的表达复杂的三维空间的声波传播。随着计算机软硬件的不断发展和相关算法的不断进步,消声器声学研究从单纯的传递矩阵算法逐渐发展到边界元法和有限元算法,使消声器声学方面的计算精度越来越高,特别是在计算声学出现之后,。传统的抗性消声器压力损失计算采用基于流体力学理论的半经验公式法。抗性消声器是由突然扩大和突然缩小结构组合而成的粗短腔,且流速较质量。摘要
高,利用半经验公式法计算压力损失精度不高,对于穿孔类等复杂结构消声器的压力损失计算更为困难。计算流体力学的出现,提供了一个新的研究抗性消声器流体动力学方法,可以利用流体动力学的基本理论公式,采用有限体积法仿真分析消声器内部流体的动力学特性,得到消声器内部流体的动力学参数,求出消声器的压力损失。本论文主要目的是寻求在抗性消声器的设计阶段就能有效计算消声器压力损失的方法,和消声器的声学特性结合起来,为消声器的结构设计和优化提供帮助。本论文研究内容包括:消声器内流场几何建模、有限体积法网格划分、边界条件确定、求解算法选择、抡娣治龊褪莺蟠淼韧暾南流体动力学分析和压力损失计算过程。研究中采用结构化网格和非结构化网格相结合的方法对较复杂消声器进行划分,在保证计算精度的前提下,尽可能减小计算量,提高计算速度。通过对单腔消声器流场仿真,分析了消声器在入口流速不同时内部流场的特点。在流速比较低的时候,流体经过突然扩大和突然缩小结构后能够充分释放,此时用半经验公式法和ḿ扑阆餮沽λ鹗Ы峁嗖詈苄随着流速增加,进入到消声器的流体没有经过充分释放就排出体外,此时半经验公式法不再适用于计算抗性消声器的压力损失。空气的密度和粘度等物理特性受温度影响比较大,研究结果表明:在相同的流速下,消声器的压力损失随温度的升高而减小。研究了单膨胀腔消声器的主要结构参数和边界条件对消声器压力损失的影响规律。其中研究的非穿孔管单腔消声器单元包括:无内插管单腔消声器、带内插管单腔消声器、无内插管偏置单腔消声器和带内插管偏置单腔消声器。这四种单腔消声器的压力损失均随着流速的升高而增大:无内插管单腔消声器和带内插管单腔消声器的压力损失还随着膨胀腔的长度而增加,内插管使消声器的压力损失减小;无内插管偏置消声器和带内插管偏置消声器的压力损失受膨胀腔的长度和有无内插管的影响程度比较小;其他条件相同时,输入/输出管偏置消声器的压力损失大于输入/输出管同轴消声器的压力研究了两种非穿孔管双膨胀腔消声器中间挡板位置对压力损失的影响。对于内插管偏置双腔消声器和无内插管非偏置双腔消声器,中间挡板的位置损失。山东大学博士学位论文
对消声器的压力损失影响都比较小。双腔消声器的压力损失基本上等于两个相当结构的单腔消声器在相同边界条件下的压力损失之和。该研究结果,为以后多腔消声器的压力损失预测提供了依据。管单腔和横流穿孔管单腔消声器进行了分析讨论。直流穿孔管消声器的压力损失随穿孔率、膨胀腔长度和入口流速的增加而增大,穿孔率越大压力损失穿孔率小于下阈值时,压力损失随着穿孔率的降低急剧上升,当超过上阈值时,压