排气消声器的数值仿真分析.pdf

硕士学位论文排气消声器的数值仿真分析T h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o nA n a l y s i so nt h eE x h a u s tM u f f l e r学号：2 1 0 1 0 0 4 8完成日期：2 Q 13 生旦大连理工大学D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：塑 氢消直墨鲍数焦伍墓金堑作者签名：辛盐一日期雄年丛月午日大连理工大学硕士学位论文摘要随着人类社会的发展，人们的生活水平不断提高，对汽车的需求量不断增加，这就助进了汽车工业的发展。汽车虽给人们的生活带来了极大的方便，但噪声污染问题日益严重。当前，降低排气系统噪声最有效，最实用的方法主要是在排气系统中使用消声器，而消声器的使用又使排气系统的阻力增大，从而发动机的功率下降，因此必须在两者之间找到一个平衡点。本文主要是利用计算机辅助软件对某一款消声器进行仿真研究分析。本文首先建立穿孔管消声器的有限元模型，利用L M SV e r t u a l L a b 对其进行仿真分析，然后对其结构进行改进，对两层穿孔管消声器在不同穿孔率之下进行仿真分析和优化，结果表明，两层穿孔管消声器在高频阶段的消声性能比单层穿孔管消声器有明显优势。同时对穿孔管消声器在考虑温度和不考虑温度下的情况进行研究，可知，温度增大时消声量会下降，消声频率往高频带的方向移动。利用F l u e n t 软件对单层和双层穿孔管消声器进行流体的压力损失进行仿真计算，单层和双层穿孔管消声器的压力损失并无多大的差别，这表明穿孔对流体的压力损失影响很小。最后对主副消声器建立有限元模型，首先分析其流体流动特性，得出气体在消声器内的温度场特性，可知，主副消声器内气体的温度变化比较小，可以看作是温度大小是相同的，并基于该温度对主副消声器进行声学特性的仿真分析。对改进消声器在不同穿孔率下进行仿真分析，并和原来的消声器进行对比，可知，通过对副消声器的结构进行改进和在不同穿孔率下进行仿真分析，其传递损失和消声频率相对于原消声器具有明显的优势。关键词：消声器；压力损失；消声特性；传递损失排气消声器的数值仿真分析A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t y，p e o p l e Sl i v i n gs t a n d a r d sc o n t i n u et oi m p r o v e，a n dt h ed e m a n df o rC a r si si n c r e a s e d w h i c hc o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y A l t h o u g ht h eC a rh a sb r o u g h tg r e a tc o n v e n i e n c et op e o p l e Sl i v e s，n o i s ep o l l u t i o ni sb e c o m i n gap r o b l e m T h em o s te f f e c t i v ew a ya n dp r a c t i c a lm e t h o dt or e d u c et h en o i s eo ft h ee x h a u s ts y s t e mi st ou s eam u f f l e ri nt h ee x h a u s ts y s t e m。w h i c hw i l ll e a dt ot h ee n g i n ep o w e rd e c r e a s e d，t h e r e f o r eab a l a n c em u s tb ef o u n db e t w e e nt h e m I nt h i sP a p e r，w ew i l la n a l y s i sa n dr e s e a r c ho n am u f f l e rw i t ht h eu s eo fc o m p u t e r a i d e ds o f t w a r es i m u l a t i o nF i r s t l y，t h ef m i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ep e r f o r a t e dp i p em u f!f l e rw a se s t a b l i s h e d a n da n a l y s i st h ei m p r o v e ds t r u c t u r ea n dt h et w ol a y e r so f t w ol a y e r so f p e r f o r a t e dp i p em u f f l e rw i t hd i f f e r e n tp e r f o r a t i o nr a t ew i t hL M SVir t u a l L a bs i m u l a t i o n，a n dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et w ol a y e r so fp e r f o r a t e dp i p em u f f l e rh a so b v i o u sa d v a n t a g e si nt h eh i g h f r e q u e n c ys t a g em u f f l e rp e r f o r m a n c et h a ns i n g l ep e r f o r a t e dp i p em u f f l e r P e r f o r a t e dt u b eM u f f l e rc o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ea n dt h eo n ed o e sn o tw a ss t u d i e dt o o，a n dw ec a ns e e t h et r a n s m i s s i o nl o s to ft h em u f f l e rw i l ld e c r e a s ew h e nt h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e s。a n dt h ed i r e c t i o no ff i g u r em o v et ot h el l i g hf r e q u e n c yb a n d T h ep r e s s u r el O S So fs i n g l ea n dd o u b l eP e r f o r a t e dM u m e rw a ss e a r c h e d晰t 1 1t h eu s eo fF l u e n ts o f t w a r e，a n dt h ep r e s s u r el o s so fs i n g l ea n dd o u b l ep e r f o r a t e dp i p em u m e ri sn o tm u c ho fd i f f e r e n c e w h i c hs u g g e s t i n gt h a tt h ep e r f o r a t i o nh a sl i t t l ee f f e c to np r e s s u r el O S S L a s t w ee s t a b l i s ht h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h em a i n v i c em u f f l e ra n da n a l y s i st l l ef l u i df l o wc h a r a c t e r i s t i c s，f r o mt h eg a st e m p e r a t u r ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c si n t h em u f f l e r w ec a ns e et h a tt h et e m p e r a t u r ew i t h i nt h em a i n v i c em u f f l e rc h a n g ei ns m a l ls c a l e a n dt h el a t e rs i m u l a t i o na n a l y s i si sb a s e do nt h eh y p o t h e s i st h a tt h et e m p e r a t u r ei st h es a m ef o rt h ea c o u s t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so nt h em a i n s u bM U f!f l e r B yc o m p a r i s o nw i t ho r i g i n a lm u f!f l e r t h ei m p r o v e dm u f f l e rw i t hd i f f e r e n tp e r f o r a t i o nr a t eo nt h ev i c em u m e rh a sad i s t r i c ta d v a n t a g eK e yW o r d s：M u f f l e r；P r e s s u r eL o s s；C h a r a c t e r i s t i c so fM u f f l e r；T r a n s m i s s i o nL o s s大连理工大学硕士学位论文目录摘要IA b s t r a c t I I1绪论11 1 课题研究的背景和意义11 1 1噪声的来源与危害11 1 2 消声器研究的意义11 2国内外研究状况21 2 1消声器传递损失的研究状况21 2 2 插入损失国内外研究状况21 3消声器研究成果及发展趋势31 4 本文研究的内容42 流体和声学基本理论一52 1声学基本理论52 1 1声压52 1 2声强52 1 3声功率62 1 4 声阻抗率62 2 声波基本方程72 2 1 三个基本方程72 2 2 三维声波方程82 2 3内燃机排气噪声产生机理及组成92 3 流体流动的基本控制方程102 3 1 连续性方程1O2 3 2 动量方程1 02 3 3能量方程1 22 3 4 湍流流动基本方程1 22 3 5消声器内部流体仿真算法流程图132 4 声学有限元方法1 32 4 1型函数的表达式一1 42 4 2 声学有限元的系统矩阵1 42 4 3穿孔元件理论方程16排气消声器的数值仿真分析2 5L M SV i r t u a l L a bA c o u s t i c s 概述172 6 本章小结183 两层穿孔管消声器的仿真分析1 93 1 消声器的评价1 93 1 1 消声器声学性能评价指标1 93 1 2 消声器的空气动力性能一2 03 2 阻性消声器2 13 2 1阻性消声器消声量的计算2 13 3 抗性消声器2 23 4 微穿孔管消声器2 43 4 1消声原理一2 43 4 2 消声量的计算一2 43 5 双层穿孔管消声器数值分析2 53 5 1 微穿孔管传递导纳基本理论一2 53 5 2 微穿孔特性在L M S V i r t u a l L a b 中实现2 63 6 穿孔管消声器有限元模型的建立和计算2 73 6 1原始消声器有限元模型的建立一2 73 6 2 消声器传递导纳参数的计算一2 83 6 3 计算结果分析2 93 7 两层消声器的仿真研究313 7 1两层消声器模型的建立313 7 2 模型计算结果分析一3 23 8 流场特性分析3 43 8 1 有限元模型的建立一3 43 8 2 边界条件的设置3 53 8 3 消声器流体数学模型的求解方法一3 63 8 4 计算结果分析一3 63 8 考虑外界条件对消声器声学性能的影响3 83 9 本章小结3 94 主副消声器的仿真研究4 14 1消声器流体特性分析4 14 1 1消声器模型的建立一4 1大连理工大学硕士学位论文4 1 2 消声器网格模型的生成4 24 1 3 消声器模型的仿真计算4 34 1 4 消声器入口流速对压力损失的影响4 64 2 消声器声学性能分析4 74 2 1消声器声学模型的建立一4 74 2 2 消声器的仿真结果分析4 84 2 3 不同穿孔率下的结果分析4 94 2 4 消声器的结构改进分析5 04 3 本章小结5 2结 仑5 3攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 7致谢一5 8大连理工大学学位论文版权使用授权书5 9大连理工大学硕士学位论文1绪论1 1课题研究的背景和意义1 1 1噪声的来源与危害随着汽车工业的发展，我国汽车的市场保有量逐年增长。这些交通工具所排放出来的噪声严重污染了人们的生活环境。这些噪声中发动机的噪声是主要声源，而排气噪声又是发动机排气噪声的主要组成部分，在过去，人们控制排气噪声最有效，最简单的方法是研究结构合理的排气消声器。据有关资料研究表明，城市中8 0 的噪声来源于汽车【l 儿2 1。噪声的危害主要有：(1)对听觉的损伤。当人们长期在大于8 0 分贝的噪声环境下工作，如果没有任何的防护措施，将有可能导致耳聋；(2)对生理健康的影响。研究表明大量的心脏病和高血压都和噪声污染有关，噪声会引起人体紧张反应而使肾上腺素增加，导致心跳加快，血压增高。(3)对心理的影响。长时间在噪声环境下工作的人使人容易疲劳，烦躁不安，注意力不集中，工作效率低下等【3】。可见，噪声的危害极大，不容忽视。因此随着人们生活水平的提高，对生活提出更高质量的要求，同时也为了提高我国汽车行业在国际上的市场竞争地位。正是在这样的背景，我国早在2 0 0 2 年1 0 月1 日对各种机动车辆出台了更为严格的汽车行驶外噪声限制G B l 4 9 5 2 0 0 2 4 1。1 1 2 消声器研究的意义机动车辆使城市噪声污染的噪声源，主要包括，发动机噪声，冷却系统噪声，传动系统噪声：主要是传动部件之间的撞击和摩擦；轮胎噪声：主要和轮胎的类型有关。在轿车J l-力n 速噪声中，发动机的噪声约占5 5；在大中型客车和卡车中，约为6 5【5 1。在整车中排气噪声作为主要声源，约占总噪声3 0，是所有声源中比例最大的，一般高出1 0 1 5 d B【3】【6】7 1。因此，通过对消声器不断优化和研究，提高消声器的性能，对于降低整车的噪声至关重要。然而在安装有排气消声器的发动机中，由于消声器的存在，对流体的流动产生了阻力，从而使压力差变大，发动机工作时排气不顺畅，必然导致功率的下降。因此，消声器的声学性能和流动阻力是一对矛盾。针对这一特点，我们不能只追求高品质的消声器而忽略其阻力对发动机功率的影响，也不能为提高发动机的功率而放弃其声学性能品质。我们要寻找一种最优化的方法，使消声性能达到既定的要求，同时又使发动机的功率损失最小，这正是本文所要研究的。排气消声器的数值仿真分析1 2国内外研究状况1 2 1消声器传递损失的研究状况自从2 0 世纪2 0 年代，世界各国开始对消声器理论进行研究，例如，美国S t e w r t对消声器进行大量的理论推导和实验验证，提出了抗性消声器滤波器理论。2 0 世纪5 0年代，D a v i s 提出一维平面波理论，能成功的计算出结构简单，频率较低，不考虑流体流动对消声性能的影响下比较准确的计算出消声器的传递损失，这为之后消声器的发展有了理论依据博J。在1 9 7 0 年，F u k u d a 把声学研究理论同电路中的电压和电阻联系，提出了著名的等效电路传递矩阵法对消声器进行计算，通过这种方法，人们可以把复杂的消声器分割成几个部分，依次计算每个简单的消声器，最后依据等效电路的传递矩阵方法，可以计算出消声器的传递损失。和前面的一维平面波理论相比，这种方法可以计算结构比较复杂的消声器【9 J。在日本，福田基一教授总结前人的理论，并将理论运用到生产实践中，提出了噪声控制的一般理论和消声器的设计方法。其著作噪声控制与消声器为消声器的设计和发展做出了巨大贡献【l0 1。在国内，也有大量的学者对消声器进行研究，并取得了一定的进展。例如2 0 0 5 年季振林用边界元元法对穿孔管消声器进行模拟计算u 1 1，并做了相关的实验，其计算结果和实验相混合得比较好，在此基础上，提出了一维平面波理论适用的频率范围。赵松龄等使用平面波理论计算穿孔管和穿孔板结构的消声器的传递特性，并和实验相对比，结果和计算的结果相吻合较好【l2|。随着生产生活的实践，理论在实际中得到不断的发展和应用，同时在实践的发展过程中，又助进了人们对消声器的研究的不断深入。其中计算机技术和有限元理论和边界元理论的发展对消声器的发展中起着非常大的作用。各种消声器有限元软件不断出现在市场上，例如L M SV i r t u a l L a b，H y p e r m e s h 等软件，对消声器的设计和改进都起到了很大的作用。这可以缩短消声器的开发周期，减少实验次数，节约成本。1 2 2 插入损失国内外研究状况插入损失的大小既取决于消声器的结构性能，同时也和声源特性有关。因此在消声器的设计中，插入损失更能真实的反映了消声器的消声性能。通过消声器的四级参数和声源阻抗，可以计算出消声器的插入损失。在国外，人们对消声器的插入损失研究的也比较多，例如，在不考虑流体流速对声学性能影响的情况下，通过在发动机的排气系统中，分别连接着四根不同长度的只管，分别测量这四根管外的声压级，通常是通过实验来测量得到的，这就是考虑了声源特性的影响了。这四根管路相当于声负载。这种方法简单易行，得到了广泛的应用【13 1。后来，随着计算机和声学有限元和边界元的出现，人们对插入损失的计算又提出了新的方法。例如国内，季振林等人结合边界元法和四负载大连理工大学硕士学位论文法对考虑流体流速对消声器的影响计算了消声器的插入损失。主要是由边界元法计算出消声器的四级参数，然后结合发动机排气系统的声阻抗特性，可以计算出消声器的插入损失【1 4】。1 3 消声器研究成果及发展趋势消声器由于其结构简单，应用广泛，是降低排气系统的最有效的方法，一直以来都是人们研究的重点对象。但看似简单的消声器都涉及到声学、振动、传热、流体力学和发动机性能相关学科领域【1 5 儿1 6 J。早期的研究人员，主要是以一维平面波理论，结合生产实践经验对消声器进行设计和改进，然后在进行试验。这种方法开发周期长，研究的成本也比较高。自从传递矩阵逐渐兴起时，人们就开始利用平面波的传递矩阵对消声器的研究，如在1 9 9 5 年，H L u o e t a l研究了各种轴向穿孔管模型，并利用传递矩阵法计算了它的损失。上世纪7 0 年代，S u l l i v a n 对存在平均气流影响时声传递矩阵的研究，C r o c k e r 提出了在不考虑温度梯度，气流存在时声传递理论【1 7】。1 9 9 8 年，黄其柏在考虑气流和温度低度下，推导了声音的传递矩阵1 1 引。以上一维平面波理论当在消声器较小，结构简单的消声器时，且频率不高(小于1 0 0 0 H z)计算的结果和实际测量的结果吻合较好。但当频率较高，结构大而复杂的时候，这种平面波理论计算结果和实际不符合，这是因为此时结构复杂，声音的传播已经不符合一维平面波理论了。此时二维或三维声波的传播理论可以达到较高的计算精度，比较适合复杂的模型【1 9】【2 0 1。随着计算机科学技术的发展，使得数值计算在计算机上得以实现，声学计算又有了新的方法【2 l】：有限元法(F E M)，边界元法(B E M)。有限元法是将计算的区域进行离散化，然后根据波动方程通过迭代求解，可以计算传播区域的声学特性。同时还可以考虑有气体流动和耦合的问题，如结构和空气的耦合问题的求解【2 2】【2 3 1。有限元方法对各种复杂的模型都能进行计算。例如，在1 9 7 1 年，Y o n gC r o c k e r 利用有限元法计算声波在形状不规则的空腔的传播，计算结果具有较高的可信度【2 4】。边界元法只在区域的包络面上进行网格划分，并可以通过建立方程式求解，且单元是二维的模型。边界元法(B E M)具有网格单元数少，占用计算机内存少，计算速度快等优点。在过去人们也对边界元法(B E M)进行研究，例如A S e l a m e t 利用了边界元法研究了带内插管的双扩张腔消声器并用试验法去验证模型的正确性【2 5】【2 6】。在消声器的设计研究发展中，人们开始对源消声法进行不断的研究。有源消声法主要分为有源消声和半有源消声。半有源消声器是排气管的直径随发动机工况而变化，从而获得比较大的消声量。而有源消声器是在声传播的另一头装有一个可控声源，其发出排气消声器的数值仿真分析的声波与发动机声源辐射的声波值大小相等，方向相反，利用声波相消性干涉原理，从而达到消声的目的。由于其控制成本较高，目前运用的范围较小，但有源消声是未来发展的方向。1 4 本文研究的内容(1)首先对一款简单的穿孔管消声器利用U G 建立模型，导入H y e r m e s h 进行网格划分，然后利用L M SV i r t u r e L a b 进行仿真计算其传递损失，并和文献 3 7】试验数据对比，可知，利用L M SV i r t u a l L a b 对消声器进行仿真和实验值相吻合较好。(2)在上述的基础上，研究了1 3 双层穿孔管消声器在不同的穿孔率下的声学特性和流体阻力特性。(3)利用H y p e r m e s h 划分网格，然后导入F l u e n t 软件对改进前后的消声器进行数值分析计算，分析消声器内流体的流动特性，并研究分析阻力损失是否控制在一定的范围之内，同时，以温度入口作为边界条件，仿真计算出消声器内部流体的平均温度，然后以此温度下空气的气体参数对消声器的声学特性进行仿真分析计算。(4)针对某一主副消声器，在保证消声器的结构安装要求的前提下，使其副消声器尽可能的利用有效空间，以提高消声的效果。并在此基础上，通过对不同穿孔率数据进行仿真分析，以寻找最优化的穿孔率。大连理工大学硕士学位论文2 流体和声学基本理论2 1 声学基本理论声音通过介质传播，但介质本身没有随着声音一起传播出去，它只是在平衡位置来回的振动。声波本质上是一种机械波，只能在弹性介质中传播，一般我们推导出来的波动方程都是基于理想流体介质上的，所谓理想流体介质是在体积变化时产生弹性恢复力，但不出现切向恢复力，因此声音在流体介质中传播时的方向和介质质点振动方向一致，即声波在流体介质中传播的是纵波。入耳能感觉到的声波频率范围在2 0 H z 到2 0 k H z，低于2 0 H z 的声音称为次声波，高于2 0 k H z 时成为超声波。2 1 1声压声压是当声音通过气体介质传播时引起气体压力变化量。由于压力的变化是瞬态的，声场中某一瞬时声压称为瞬时声压。通常利用有效声压来表示声压的大小。有效声压是对一定时间T 内瞬态声压的均方根值。其表示如下：P=(2 1)式中P 1 为瞬态声压，T 为周期。声压的大小反应了声波的强弱，由于人耳的特殊性，对于不同频率声压相同所产生的感觉是不一样的。这表明，人耳对声音的可听阀不仅与压力的大小有关，而且还与频率有关。人耳的感觉并非和声压成线性关系，而是和声压的对数成线性关系。因此通常使用声压级来表示声音的强度，其表示如下：L。：2 0 l g 旦(2 2)P r e f式中，P 耐为参考声压，取值为2 1 0 P a。2 1 2 声强声强是单位时间内声波垂直通过单位面积的升能量，用，表示：，：旦：!：P v(2 3)Sp c式中，W 为声功率；s 为面积(m 2)；v 为质点振动速度；为气体密度(g c m 3)；c 为声速(m s)；排气消声器的数值仿真分析2 1 3 声功率声功率是声源在单位时间内所辐射的总声能量。可用如下式子表示：W：臼d S式中S 表示面积；I 为声强；2 1 4 声阻抗率一维小振幅声波的一维波动的简化的运动方程为：百O U2 麦卯由以上式子可以表示声压P 与质点振动速度u 的关系：u：土降d tp oJ 叙由平面声波的波动方程：P=p A e j 叫也其实部：P(x，t)=P A C O S(c o t k x)带人(2 6)，则有：(2 4)(2 5)(2 6)(2 7)(2 8)u _ 且(2 9)P o 式中，p。一密度P 一声压l】一质点的速度u A 一质点振动速度p A 一声压的幅值一角频率k 一波数，k=f O C=2 兀九，其中入为波长由上述推导可知，质点的振动速度与声压同相位，质点的振动速度与声速不同。在声场中质点是以速度u 在振动，这种振动过程是以c 0 传播的。声阻抗率或称为声特性阻抗定义如下：大连理工大学硕士学位论文Z：旦(2 1 0)。U将式(2 8)和(2 6)带入(2 1 0)，则平面声波的声阻抗率为：Z s=9 0 c o(2 1 1)声阻抗的单位为P a s m。通常阻抗率还可以用复数的形式表示，即：z。_ R。+i X。，其中，R。为声阻率，X。为声抗率。声阻抗的倒数定义为导纳。2 2 声波基本方程在存在声波的空间内，在不同的空间位置上一般声压不同，在某一个给定的位置上，其声压随时间的变化，这样的空间称为声场。声波方程研究的是声场中的物理量随时间和空间的变化规律，并用数学公式表示出各个物理量与时间和坐标的变化关系，这就是声波方程。为了建立声波基本方程，须对其物理模型做些简化【2 7】：质为理想流体，即忽略煤质中的粘滞性作用，则声波在这样的媒质中传播时没有能量耗损；在没有声扰动时，媒质宏观上是静止的，同时也是均匀的，即媒质中的静压P n 和p。为常数。声波传播时，媒介中由于压力的变化过程中是绝热的过程，即媒质与其相邻的部分不存在热交换现象。在空气媒质中传播声波振幅较小，声学物理参数变化非常小，例如，声压变化量P 远小于静N e o，质点振动速度u 远小于声音的传播速度c。等。以上假设条件，得出的结果在很大程度上与实际相符合，因此其方程具有普遍意义。2 2 1 三个基本方程声波也是一种宏观的物理现象，必然也会满足牛顿第二定律、质量守恒定律和描述压强、温度、体积等参数的状态方程。(1)运动方程在声场空间内取一足够小的体积元，然后对其进行受力分析，运用牛顿第二定律，则有：p S d x-婴=(2 u,u L叙a PS a x1 2)整理后可得p 粤：一害(2 1 3)D=一二(2 d t叙排气消声器的数值仿真分析这就是声场的运动方程，它描述了声压P 与质点u 之间的关系。(2)连续性方程媒质中单位时间内流入单位体积元的质量与流出该体积元的质量之差等于该微元体积内质量的增加或减少，也就是质量守恒定律：一型S d x：堡S d x(2 1 4、缸夙整理之后得一掣吣p u 害d X优这就是声场的连续性方程，代表质点速度U 与密度A p 的关系。(3)状态方程声音传播的速度比较快，比由于体积受到压缩和膨胀过程的热传导所需要的时间少得多，因此声波在媒质中的传播过程可以认为是没有热交换，因此可以说是绝热的过程，这样，压强仅仅是密度p 的函数：P=尸(p)(2 1 6)因而压强和密度的微小增量可以表示为d P=c 2 d p(2 1 7)由于压强和密度具有相同的方向，当被压缩或者膨胀时f-恒大于零，用C 2 表示，up即d P：C 2 d p(2 1 8)这就是声音传播的物态方程，它表示生成中压强P 的变化和密度p 的微小变化关系。2 2 2 三维声波方程当声场在两个方向，如Y，Z 方向是均匀时，是一维声波方程。当声场在三个方向上不均匀的时候，就是三维波动方程了，只要把一维的情况加以推广就可以得到三维小振幅声波方程：一般写成一c 3 2 p+生+生：土塑叙2。匆2。统2c：a 2(2 1 9)大连理工大学硕士学位论文V 2 p _ 彳1 篓(2 2 0)C；0 t 式中，为拉普拉斯算子，在不同的坐标系里形式不同，在直角坐标系中V 2=旦o-9,x 2+导+鲁(2 2 1)在球坐标系里V 2=专静嘉)+志言(s m 嗉)+志导眨2 2，在柱坐标系里V 2=爿r 孙 r 票0 0 弓眨2 3，r 衍L 魂J22瑟22 2 3内燃机排气噪声产生机理及组成内燃机在工作的过程中，在排气行程将废气排出，以便新鲜的空气能进入气缸内进行循环的做功。在排气阶段，废气的压力一般比较高，大约在0 2 5 0 4 5 M 左右将产生喷射噪声、涡流噪声、旋转噪声、周期性排气噪声。在多缸发动机中，各个气缸排气口用统一的排气管相连接，废气在排气管中将发生压力脉动，根据排气管长度和排气频率的关系将会产生气柱共振噪声。根据试验表明排气噪声的声压级随内燃机工作的平均有效压力参数有关，对于同一台发动机，在转速不变时，当负荷增大，平均有效压力增大，排气噪声也相应的提高。转速提高也会使排气噪声增大，这是因为排气量增加了，从而加剧了涡流噪声。在内燃机中由于柴油机的平均有效压力比汽油机大，排气压力也大，这也是柴油机的噪声比汽油机大的主要因素。内燃机排气噪声的频谱主要由三种成分组成。以每秒排气数为基频的倍频成分，由以下公式表示：f v：丁n zv(H z)(=1,2，3)(2 2 4)3 0 T。r 气缸数n 一发动机转数v 一冲程系数，二冲程T=1，四冲程f=2。排气阀门流通截面处产生涡流噪声，由经验公式可以估算其频率：厂：_ 0 0 4 v(H z)(2 2 5)，=一H 7Jl排气消声器的数值仿真分析V _ 通道截面处气体流速(m s)；A 一通道截面面积(m 2)。(3)排气管内的气柱声成分，当发动机排气管内废气压力脉冲频率与f o=c 4 l，及其高谐次倍频值相混合时，就会出现较大的共振声。其中C 为废气状态下的声速(m s)，为排气管长度(m)。2 3 流体流动的基本控制方程在消声器的研究中，入口流量等于出口流量，因此必定满足连续性方程和动量守恒方程。由于消声器内部结构比较复杂，特别是小孔的存在，消声器内部会出现很大的湍流现象，因此消声器内部流场为湍流现象。并对消声器的流体流动做如下简化【2 8】：(1)消声器内部的壁面和流体区域的物理参数均为常量；(2)流动为定常湍流流动；(3)忽略重力对流动的影响；(4)消声器的入口边界条件为定值，如速度边界条件为匀速，没有脉动的影响。2 3 1 连续性方程在流场中取一个封闭腔，称之为控制体，包络封闭腔的曲面称为控制面。假设流体通过曲面S 1 流入控制体，通过曲面S 2 流出控制体。在这过程中控制体内部流体的质量会有所变化。按照质量守恒定律，控制体内流体的增量应等于流入与流出流体质量之差，由此可以导出连续性方程：竺+d i v(p u、：0(2 2 6)夙式中，d i v(“)：娑+娑+半，为密度，u 为速度矢量，“，v，w 分别是速度矢量在x，Y，zo xo y眩方向上的分量。2 3 2 动量方程流体流动和刚体的运动相类似，也是遵循动量守恒定律，即牛顿第二定律。该定律可表述为：作用于微元体的各种力的合外力等于流体动量对时间的变化率。由于穿孔管消声器中微穿孔的存在，流体在微穿T L 流动时，会形成涡流和漩涡现象。对于一般气体流速的消声器中，流动可以看作是湍流流动。通常情况下，可对消声器做如下简化2 8】：(1)刚性消声器固定区域和流体区域的各个物理参数可以假设为常数：(2)流动为定常湍流流动；大连理工大学硕士学位论文(3)不考虑重力对流动的影响；(4)消声器入口边界条件，即流速均为匀速，不考虑脉冲的影响。微穿孔管消声器内的流体流动遵循质量守恒定律，即控制体内流体质量的增加与流入和流出控制体单元的流量之差相等。质量守恒方程也称为连续性方程。署“i v(p u)_ o(2 2 7)其中，d i v(“)：娑+娑+娑O Xo ya zP 一流体密度卜时间u 一速度矢量“，v，W 一速度矢量在x，Y，z 方向上的分量消声器内部流体流动也是遵守动量守恒定律，即微元体各个方向上力的合力等于流体参数的变化率，同时动量守恒定律也称为牛顿第二定律。在直角坐标系中动量守恒方程可以表示为：业+d i V p：鱼+篮+笠+篮+EO tO xO xO yO z型+d i v p v u=-+笠+笠+笠+F，(3 2 8)O tO yO xO yO z业坐+d i V 删：一鱼+篮+笠+生+F 7式中，P 为微元体压力；T。，T ，T 恐为粘性应力分量；F x，L，F z 体积力。以上方程对于任何流体的流动都适用。消声器内的流体特性可以看作是牛顿流体，因此动量方程转化为：掣+d i V(p 岬)=d i V(g g r a d u)一。舐p 蝇掣+d i V(p)柏(“g r a d v)一万O p+s v(2 2 9)1 a(p r w)+州p w u)=d i V(“舯d w)一西O p+s。式中，g r a d O=a O O x+a O O y+a()o zS。，S。，S。一动量方程的广义源项排气消声器的数值仿真分析u 一动力粘度2 3 3 能量方程在消声器的仿真分析中，由于入口温度较高，因此考虑温度对消声器传递损失特性的影响问题。由于在本消声器的仿真分析中，消声器内部流体和壁面的温差较大，因此考虑到传热问题。消声器内部的传热遵循热力学第一定律：等+d i v(p u T M V(c k _ _ k _。g r a d T M(2 3。)也可以表示成：a(p r)o(p u r)a(p v T)a(p w T)一T T T 一8 t敏巩8Z：昙c 嚣+号c 鲁M 3。式中，C。：比热容，丁：绝对温度，k：传热系数，s T：内热源及由于流体的粘性作用而引起的动能转化为热能。2 3 4 湍流流动基本方程由流体力学的基本理论我们了解到，当R e y n o l d s 比较小时，流体的流动特性为层流，随着R e y n o l d s 的增大，流体的流动变得越来越复杂，即流体的流动特性出现了无序的混乱状态。由于湍流现象比较复杂，至今人们尚未找到这些基本性问题的解决方法【2 9】【3 0】，2 0 世纪4 0 年代我国著名科学家推导出第一个计算湍流应力的方程 3 1 1。目前解决湍流模型问题主要是建立在R e y n o l d s 平均运动方程和脉动方程基础之上。其主要方法是引入如下假设，使湍流平均流量方程封闭，通过建立起湍流流动脉动值附加项与R e y n o l d s时均项之间的关系，可以使方程封闭。对于复杂的湍流流动，可以利用非稳态的连续性方程和N a v i e r S t o k e s 方程对其进行求解计算。对于不可压缩流体，其控制方程如下 2 8】：百a u+西V()=一石10 吡pt-v*d i v(g r a d(“)罢胁()=一石10 哕pi-v*d i v(g r a 酬(2 3 2)等胁(w u)=一石10 叱p+-v*d i v(g r a d(w)对于可压缩流体，其湍流流动的控