2010年--（節(jié)選）外文翻譯--基于一維cfd模型下汽車排氣消聲器的實驗研究與預測（譯文）

1、<p><b>　　中文5240字</b></p><p>　　畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯</p><p>　　專 業(yè)： 熱能與動力工程 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　外文出處：Applied Acoustics, 2010(71):701~707 </p><p>　　附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　基于一維CFD模型下汽車排氣消聲器的實

3、驗研究與預測</p><p>　　Takeshi Yasuda, Chaoqun Wua, Noritoshi Nakagawa, Kazuteru Nagamura</p><p>　　摘要 目前，利用實驗和數(shù)值分析法對商用汽車消聲器在寬開口喉部加速狀態(tài)下的排氣噪聲進行了研究。在加熱工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1000轉(zhuǎn)/分鐘加速到6000轉(zhuǎn)/分鐘需要30秒。假定其排氣消聲器的瞬時聲學特性符合一

4、維計算流體力學模型。為了驗證模擬仿真的結(jié)果，我們在符合日本工業(yè)標準（JIS D 1616）的消聲室內(nèi)測量了排氣消聲器的瞬態(tài)聲學特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在二階發(fā)動機轉(zhuǎn)速頻率下仿真結(jié)果和實驗結(jié)果非常吻合。但在發(fā)動機高階轉(zhuǎn)速下（從5000到6000轉(zhuǎn)每分鐘的四階轉(zhuǎn)速，從4200到6000轉(zhuǎn)每分鐘的六階轉(zhuǎn)速這樣的高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)），計算結(jié)果和實驗結(jié)果出現(xiàn)了較大差異。根據(jù)結(jié)果分析，差異的產(chǎn)生是由于在模擬仿真中忽略了流動噪聲的影響。為了滿足市場需求，研究者在一維

5、計算流體力學模型的基礎上提出了一個具有可靠準確度的簡化模型，相對標準化模型而言該模型能節(jié)省超過90％的執(zhí)行時間。</p><p>　　關鍵字 消聲器 排氣噪聲 優(yōu)化設計 瞬態(tài)聲學性能</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　汽車排氣消聲器廣泛用于減小汽車發(fā)動機及汽車其他主要部位產(chǎn)生的噪聲。一般而言，消聲器的設計應該滿

6、足以下兩個條件：（1）能夠衰減高頻噪聲，這是消聲器的最基本要求。排氣消聲器應該有特定的消聲頻率范圍，尤其是低頻率范圍，因為我們都知道大部分的噪聲被限制在發(fā)動機的轉(zhuǎn)動頻率和它的前幾階范圍內(nèi)。（2）最小背壓，背壓代表施加在發(fā)動機排氣消聲器上額外的靜壓力。最小背壓應該保持在最低限度內(nèi)，因為大的背壓會降低容積效率和提高耗油量。對消聲器而言，這兩個重要的設計要求往往是互相沖突的。對于給定的消聲器，利用實驗的方法，根據(jù)距離尾管500毫米且與尾管軸向

7、成45°處聲壓等級相近的排氣噪聲來評估其噪聲衰減性能，利用壓力傳感器可以很容易地檢測背壓。</p><p>　　近幾十年來，在預測排氣噪聲方面廣泛應用的方法有：傳遞矩陣法、有限元法、邊界元法和計算流體力學法。其中最常用的方法是傳遞矩陣法（也叫四端網(wǎng)絡法）。該方法基于聲波在管道中的一維線性傳播，其中的單個元素（如：管道、間斷點、分支）與電子濾波器理論中的相似。在頻域范圍內(nèi)通過這種方法可以計算出簡單消聲器的

8、噪聲衰減。但是這種方法有以下幾點不足：（1）它僅能用于假想的線性波傳播模型下；（2）用這種方法不能計算背壓；（3）它不能預測消聲器的瞬態(tài)聲學性能。用邊界元法可以預測任何給定幾何性質(zhì)的抗性消聲器的噪聲衰減性能，這種方法顯然不再局限于一維平面波理論。Ji等人通過研究發(fā)現(xiàn)：利用邊界元法預測得到的結(jié)果與利用三維模型對一些消聲器的實驗分析得到的結(jié)果非常相近。Middelberg等人成功地利用三維CFD模型估算出了那種膨脹室有一系列進出口收縮擴張變

9、化的消聲器的聲學性能和平均流量。Yumex公司利用三維CFD和三維邊界元法相結(jié)合的方法來預測商用汽車消聲器的噪聲。Barbieri和Barbieri采用有限元法預測消聲器的消聲性能。雖然有限元法、邊界元法和計算流體力學法可以獲得比較精確的結(jié)果，但是這些方法執(zhí)行起來耗</p><p>　　在聲學領域里，尖銳度、響度、粗糙度和波動強度是評價聲音質(zhì)量的常用指標。在汽車行業(yè)中不僅要考慮以上參數(shù)，還應該考慮在汽車加速狀態(tài)下

10、的性能表現(xiàn)。比如當發(fā)動機加速時，為了使乘車者感覺舒適，排氣噪聲應該隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而平緩線性的變化。因此，在設計階段評估消聲器的瞬態(tài)聲學特性是非常必要的。本論文的目的是利用一維CFD模型和實驗的方法研究一個典型的商業(yè)消聲器的瞬時聲學特性，進而開發(fā)出一個簡化的、精度上允許且能夠滿足市場需求的優(yōu)化設計模型。</p><p><b>　　2 基本理論</b></p><p&

11、gt;　　2.1 流動基本方程</p><p>　　在本研究中利用一維計算流體力學的方法解決流動問題。整個系統(tǒng)包括發(fā)動機系統(tǒng)被分割成了許多空間，每個分流用一個單獨的空間表示，每個管道被分割成一個或多個與邊界相連的空間。假設每個空間內(nèi)的標準變量（壓力、溫度、質(zhì)量、密度、內(nèi)能、濃度）都是統(tǒng)一的。矢量變量（質(zhì)量流量、速度、質(zhì)量通量）適用于每個邊界。該流動模型包括了能量守恒方程、動量守恒方程和連續(xù)性方程并進行聯(lián)立求解。這

12、些等式僅限于一維模型下，即所有的量都是沿流動方向均勻分布的。該解決方案主要變量是質(zhì)量流量、密度和總內(nèi)能。應當指出的是排氣系統(tǒng)中氣體的溫度大致隨與距離發(fā)動機距離的變化而變化。因此排氣系統(tǒng)中氣體的溫度并不是一個參數(shù)。當利用能量守恒方程和焓方程計算氣體溫度時，應該考慮氣體與消聲器以及消聲器與外界環(huán)境之間的熱交換。</p><p><b>　　連續(xù)性方程:</b></p><p&

13、gt;<b>　?。?）</b></p><p><b>　　能量守恒方程：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　焓方程：</b></p><p><b>　　（3）</b></p&g

14、t;<p><b>　　動量守恒方程：</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　公式中，m，V，p,,,,e,H,h,,,,,,,，分別代表邊界質(zhì)量流量，空間質(zhì)量，體積，壓力，氣體密度，低壓面面積，傳熱面面積，單位質(zhì)量總內(nèi)能（內(nèi)能加動能），總焓值，傳熱系數(shù)，氣體溫度，壁面溫度，邊界速度，表面摩擦系數(shù)，

15、壓力損失系數(shù)，當量直徑，質(zhì)量單元沿流動方向的長度（離散長度），壓力差的微分。需要指出的是等于，等于。</p><p><b>　　2.2 排氣噪聲</b></p><p>　　根據(jù)前面四個方程式可以求出消聲器的背壓和尾氣的出口流速。對于排氣噪聲的計算則沒有確切的公式。但是在自由場中，從排氣管中排出的氣體體積相對整個空間而言是可以忽略不計的。排氣管排氣體積可以視為排氣管

16、體積的一個變量。因此，可以用單極方程式來計算排氣噪聲。應當指出的是這種方法僅在距排氣管一定直徑距離的自由場中的聲壓等級下才適用。因此，在自由場中擴音器處的聲壓是通過把孔視為一個簡單的脈動單極來計算的，并且單極處的速度可以通過以下方程轉(zhuǎn)換成自由場中任何位置處的壓力。</p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　公式中分別表示聲壓、空氣密度、尾管橫截面

17、積、擴音器距尾管的距離、氣體的瞬時出口流速、聲音在自由場中的速度和時間。</p><p><b>　　3 實驗裝置和方法</b></p><p>　　圖1 實驗裝置示意圖</p><p>　　實驗裝置的示意圖如圖1所示。實驗中使用了一個包含1500毫升內(nèi)聯(lián)四缸發(fā)動機的發(fā)動機試驗臺和用來測定發(fā)動機負載的功率計。發(fā)動機的駕駛狀態(tài)由控制系統(tǒng)控制。沿

18、排氣系統(tǒng)的氣體溫度、壁面溫度和氣體壓力分別由溫度傳感器和壓力傳感器檢測并由數(shù)據(jù)記錄儀記錄。為了避免反射聲波和設備噪聲的干擾，消聲室內(nèi)只設置一個傳聲器和消聲器樣本。所有其他的實驗設備放置在消聲室外面。依據(jù)日本工業(yè)標準JIS D 1616，在排氣尾管軸向45°的500毫米處用傳聲器（B&K Type 4190）測量排氣噪聲。在加熱工況和寬開口喉部加速狀態(tài)下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速從600轉(zhuǎn)/分鐘加速到6000轉(zhuǎn)/分鐘需要30秒。當有效

19、頻率高于六階轉(zhuǎn)動頻率時，排氣噪聲的聲壓等級非常低。只有在二階轉(zhuǎn)速、四階轉(zhuǎn)速和六階轉(zhuǎn)速下才能記錄排氣噪聲。</p><p>　　4 一維理論下的排氣噪聲模擬</p><p>　　在目前的研究中，利用一維理論分析標準商用汽車消聲器的排氣噪聲模擬。圖2所示的是一個商業(yè)汽車消聲器的原理結(jié)構(gòu)圖。它由三個排氣尾管以及由兩個隔板分開的三個室組成。為了正確建立消聲器的模型，需要充分了解消聲器每個聲學部件的

20、功能。消聲器中的幾個聲學部件分別為分流孔、擴面管諧振器、吸收材料、膨脹室和亥姆霍茲共振腔。</p><p>　　圖2 消聲器樣本原理圖</p><p>　　圖2中1室和管1上有很大的分流孔，其設計目的是為了在工作頻率范圍內(nèi)能打破排氣管的諧振狀態(tài)。管1上的穿孔管是為了防止流量分離和由于急劇間斷產(chǎn)生的過度渦流，進而可以減少流量產(chǎn)生的噪聲和壓降流產(chǎn)生。。由管1的部分和3室形成的亥姆霍茲共振腔用來

21、減少特定頻率的噪聲。它充當聲波濾波器并且可以衰減發(fā)動機的低頻噪聲。亥姆霍茲共振腔向聲源反射聲波，從而防止聲音沿排氣管傳播。膨脹室（室2）的設計目的是為了減少加速噪聲。在消聲器橫截面積處引進的突變使膨脹室反射聲波。亥姆霍茲共振器沒有高衰減度，但當一半聲波長等于腔的長度時，它具有寬帶頻率特性。通過在出口減小單脈沖噪聲，膨脹室使劇烈的壓力脈沖變得平緩。當傳入聲流擴大或縮小成不同大小時設置一個擴面管諧振器以消除特定頻率的噪聲。在這個消聲器樣本中

22、，管2和固定盤形成了兩個擴面管諧振器。在這兩個擴面管諧振器的作用下，隔板反射傳入噪聲使其朝相反的方向返回，以此來削弱傳入噪聲。吸收元件(管3)用來防止流動噪聲、輻射噪聲和排氣噪聲。它包含多孔吸音材料，通過震蕩氣體粒子與吸聲材料(在目前研究中，玻璃棉)空隙中形成的摩擦，使聲能轉(zhuǎn)化為熱能，以此來衰減了噪聲。這個元件的主要優(yōu)點是</p><p>　　表1 消聲器規(guī)格參數(shù)</p><p>　　用

23、一個被許多實驗數(shù)據(jù)驗證過的發(fā)動機模型來評估消聲器樣本的性能。在目前的研究中，只對消聲器樣本模型給予了詳細解釋。圖3展示了一個高精度的消聲器樣本標準模型。為獲得較高的計算精度，把消聲器離散成小的基本流動單元。下面是標準消聲器模型的兩種離散方法。一種是將室分成許多不同的部分，例如一些管子和分流。另一種是將一長管離散成一些小部件。室被劃分為子單元。在這些室內(nèi)，子單元的體積是常數(shù)，但是室1內(nèi)的子單元同室2和室3內(nèi)的相比有不一樣的體積。管1被分為

24、一個多孔管和二根直管。其中一根直線管由一個分流孔連接室1。多孔管被劃分成與室2通過孔連接的子單元。設計穿孔是為了連接多孔管和室2。內(nèi)部有吸收材料的套管相當于子單元，這些子單元有額外的參數(shù)來描述使用了如羊毛等吸收材料的消聲器樣本。</p><p>　　在當前的模擬中假設環(huán)境的熱容量是無限的，即在整個模擬中環(huán)境溫度是恒定不變的。根據(jù)實驗條件，在寬開口喉部加速條件下，發(fā)動機模型轉(zhuǎn)速在30秒內(nèi)由600轉(zhuǎn)/分鐘（空轉(zhuǎn)）加速

25、到12000轉(zhuǎn)/分鐘。整個模擬是在瞬態(tài)條件下進行的。在模擬中用到了GT-Power Ver.6.2商業(yè)軟件。表2列出了模擬條件。</p><p>　　圖3 標準消聲器模型</p><p><b>　　表2 模擬條件</b></p><p><b>　　5 結(jié)果與討論</b></p><p>　　圖4

26、所示的是標準模型的實驗和仿真結(jié)果。在圖4a中我們可以發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機二階轉(zhuǎn)動頻率下實驗結(jié)果和仿真結(jié)果非常吻合。但是對于高階轉(zhuǎn)速，尤其是發(fā)動機高速狀態(tài)下，實驗結(jié)果和模擬結(jié)果產(chǎn)生了差異。這些差異主要是由流動噪聲造成的。應當注意的是在模擬仿真中并沒有考慮流動噪聲。當廢氣通過截面4然后從尾管高速噴射出來時，會產(chǎn)生一個很大的渦流，這個渦流使自身產(chǎn)生的噪聲加大。因此消聲器本身就表現(xiàn)為一個噪聲源，有時它的噪聲聲壓級可以比得上發(fā)動機噪聲的聲壓級。即使有幾個

27、聲學元件用于降低流量噪聲，從圖4b可以看到，在5000-6000轉(zhuǎn)/分鐘時，流動噪聲可以比得上發(fā)動機的噪聲。在圖4c中當轉(zhuǎn)動頻率提高時，可以在4000-6000轉(zhuǎn)/分鐘的大范圍內(nèi)觀察流動噪聲。</p><p>　　圖4 標準消聲器模型下排氣噪聲的計算與模擬結(jié)果</p><p>　　在圖3中，消聲器模型被離散成許多單獨的體積，這些單獨的體積用來表示室的容積。管和室的位置關系由圖中連接關系表示

28、。標準模型精度高，但執(zhí)行起來耗費時間。從圖3中可以看出標準模型消聲器消耗了大量計算時間。如前面所述，即使一維標準模型的計算時間比三維流體動力學計算模型和有限元模型的時間短，它仍舊不能滿足發(fā)動機的設計需求。利用這個標準模型計算排氣噪聲和背壓耗時80分鐘。根據(jù)我們的經(jīng)驗，在優(yōu)化設計中要考慮800種設計方案。因此，一個耗時130多天的優(yōu)化設計從時間上并不能滿足新興汽車市場的需求。為了減少總的計算時間，需要簡化這個模型。而且，在未來的優(yōu)化設計中

29、，如果修正了管的尺寸與其他部件的位置關系，需要再改變整個消聲器模型，那將是非常浪費時間的。</p><p>　　為解決這些問題，研發(fā)一種可靈活修正且具有允許精度的簡化模型是非常必要的。圖5所示的是目前研究中的簡化模型。在該簡化模型中，每個室被劃分為相同體積的球形分流空間。管和其他部件的位置關系用分流與孔的關系表示。它的仿真條件與標準模型是相同的。圖6所示的是簡化模型的結(jié)果。從圖6中可以看出，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于420

30、0轉(zhuǎn)/分鐘時，模擬結(jié)果和實驗結(jié)果非常吻合。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于4200轉(zhuǎn)/分鐘時，盡管實驗結(jié)果和仿真結(jié)果之間有些差異，但相對執(zhí)行時間而言已經(jīng)相當準確了。</p><p>　　圖5 簡化后的消聲器模型</p><p>　　圖6 簡化模型實驗結(jié)果與模擬結(jié)果的比較，模擬結(jié)果是瞬態(tài)下求得的</p><p>　　圖7 排氣尾管出口處的聲壓級。模擬結(jié)果是簡化模型在</p>

31、;<p>　　穩(wěn)態(tài)下求得的，壁面溫度是利用穩(wěn)態(tài)傳熱求解器求得</p><p>　　圖8 消聲器進口處的氣體溫度。模擬結(jié)果表示簡化模型在</p><p>　　穩(wěn)態(tài)下的氣體溫度，壁面溫度是利用穩(wěn)態(tài)傳熱求解器求得</p><p>　　一般來講，發(fā)動機系統(tǒng)在寬開口喉部加速狀態(tài)下運行時，用其加速下的瞬態(tài)模擬來模擬排氣系統(tǒng)。根據(jù)GT-Power使用手冊，不管模擬是

32、瞬態(tài)的還是穩(wěn)態(tài)的，求解器都會用相同的方法計算模擬結(jié)果。因此，利用穩(wěn)態(tài)模擬來計算寬開口喉部加速狀態(tài)下的排氣噪聲是可行的。在GT-Power使用手冊中，對于同一模型，瞬態(tài)模擬比穩(wěn)定模擬花費更多時間，因為瞬態(tài)模擬計算并儲存整個加速階段的結(jié)果。目前的研究中，利用在發(fā)動機固定轉(zhuǎn)速下每隔500轉(zhuǎn)/分鐘下獲得的一系列穩(wěn)態(tài)模擬來模擬整個加速階段，以此來確保發(fā)動機轉(zhuǎn)軸有足夠的轉(zhuǎn)動能力。</p><p>　　圖7所示的是模擬結(jié)果，從

33、圖中可以看出，在發(fā)動機低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)（1000-2000轉(zhuǎn)/分鐘），模擬結(jié)果和實驗結(jié)果出現(xiàn)了偏差。因為在廢氣中聲速隨廢氣溫度的變化急劇變化，氣體溫度對排氣管處的聲壓等級具有重要影響。因此，這些差異可能是由實驗與仿真結(jié)果中氣體的溫度差異所引起的，如上圖8所示。</p><p><b>　　參考文獻見原文</b></p><p>　　附件2：外文原文（復印件）</p&