基于ANSYS的汽車排氣消聲器流場分析*

河南工程學院機械工程系 郭 鵬 馬建輝 杜向向

基于ANSYS的汽車排氣消聲器流場分析*

河南工程學院機械工程系 郭 鵬 馬建輝 杜向向

車輛作為人們日常生活中的主要交通工具，其噪聲已成為最主要的交通噪聲污染源，據統計，70%左右的交通噪聲是由車輛引起的。對排氣噪聲的控制，最簡單、有效的方法就是采用排氣消聲器。一般消聲器會對發動機產生兩個方面的影響。第一，降低排氣噪聲；第二，增加排氣背壓，降低發動機動力性和經濟性。消聲器的聲學性能與排氣的流動性目標是一對矛盾。矛盾產生的原因在于消聲器的消聲性能越好，結構越復雜，流體力學性能越差，發動機因此產生的功率損失就越大。因此，在設計車用排氣消聲器時要處理好聲學—流體力學這一矛盾，獲得既有大消聲量（聲學性能好）、排氣背壓小（流體力學性能好，功率損失小）的消聲器具有很重要的現實意義。衡量消聲器對發動機功率損失的影響程度的主要評價指標是壓力損失。傳統的實驗研究方法存在著周期長、成本高的缺陷。

本文，筆者利用專業的建模軟件對某消聲器結構進行了三維實體建模，并把消聲器實體模型導入有限元分析軟件ANSYS，建立消聲器有限元模型，模擬消聲器實際使用情況，利用ANSYS的流體分析模塊對消聲器進行流場分析，得到發動機廢氣經過消聲器進出口時的壓力損失，實現了對消聲器性能的預測分析。

一、排氣消聲器流體力學性能的評價指標

代表消聲器流體力學性能的空氣動力學性能以功率損失比、壓力損失和阻力系數來評價。壓力損失越大，消聲效果越好；但另一方面，壓力損失越大，對發動機功率的影響越大。壓力損失是指待測消聲器存在平穩氣流時，消聲器進口端與出口端平均全壓的降低量，考慮發動機功率損失，其值越小越好。

二、利用計算機仿真方法進行消聲器性能研究的流程

首先根據消聲器實際結構，用計算機輔助畫圖軟件建立三維實體模型，然后導入計算機輔助有限元分析軟件，劃分單元格后生成消聲器的有限元模型，然后模擬消聲器實際工作條件，對其加載后進行分析計算，最后根據生成的圖表進行分析計算得到所需的參數，用來預測消聲器的性能。

三、消聲器結構模型的建立

本文，筆者所研究消聲器為抗性消聲器，是為了滿足中、低頻的消聲效果。其結構及尺寸如圖1所示，總長為1000mm；擴張腔長為600mm，直徑150mm；內部四級消聲結構為雙面鼻錐結構，雙面鼻錐內圓直徑101.5mm，鼻錐角度為40°，壁厚為1mm；出/入管直徑50mm，材料選用鋼Q235，其參數見表1。

表1 Q235的參數

四、消聲器模型的內部流場分析

1.定義初始條件。該消聲器在發動機轉速5500r/min時，消聲器入口處質量流量為0.06kg/s，由公式（1）可計算流體的速度。

式中，Q為流量，A1、A2為截面積，v1、v2為流體在截面處的速度。根據入口處空氣特性指標，由公式（1）可計算出流體的速度v=27.5m/s。

雷諾數Re=43698＞4000。計算結果表明，消聲管內部氣流Re數已遠遠大于4000，說明這時管內流動不但是湍流，而且已進入阻力平方區，即消聲器內的壓降和流速的2次方成正比，流體受到的黏性阻力對壓降的影響相對較小，可以忽略。計算可得馬赫數=0.083＜0.3，是不可壓縮流體。

2.定義邊界條件。由于消聲器的內管壁為光滑、非滲透性的，管壁沒有滑移，即流體在壁面邊界上的速度設為0；流體速度v=27.5m/s；氣流方向垂直于入口處；假定進口速度均勻，并且垂直于進口流場方向上的流體速度為零；假定出口壓力為零。

3.內部流場分析。施加邊界條件和設置流體特性與環境后，執行流體分析。進入一般后處理模塊，繪出速度的向量顯示圖。繪出速度及總壓力云圖。速度云圖如圖2所示。總壓力云圖如圖3所示。

4.圖形分析及壓力損失計算。

（1）圖形分析。由速度矢量圖可以看出，流體與消聲器壁和鼻錐發生多次碰撞，是造成消聲器壓力損失的主要原因。由速度云圖可以看出，在入口和出口處速度變化較大，出口處速度最大，且形成激噴噪聲。由于渦流造成擴張腔中部速度變化不均勻，但總體變化不大。由總壓力云圖可以看出，總壓力在入口和出口處變化較大，而擴張腔中變化不大。

（2）壓力損失計算。在根據消聲器仿真結果進行壓力損失計算時，在進口和出口端管道的平直部分的中部，各選一個測量截面，在給定氣流速度下測出兩個截面上的平均全壓，由消聲器兩端平均全壓的降低量得出壓力損失。其具體步驟如下。

在消聲器的輸入、輸出管的橫截面上，采用N個（N≥9）均勻的點來計算消聲器的平均壓強，計算平均動壓強的修正系數為：

式中，N為點的個數；vi為每一個點的速度，單位為m/s；vm為相應截面中心點處速度值。

平均動壓計算公式為：

式中，pv為相應截面中心點處的動壓強，單位為Pa。

截面的全壓為：

式中，ps為指定截面的靜壓，單位為Pa。

消聲器的壓力損失就是輸入、輸出截面的全壓之差：

五、結論

1.綜合速度矢量圖、速度云圖、總壓力云圖以及壓力損失可以看出，四級雙面鼻錐結構使氣流沿多級錐體縮放、撞擊分流以達到消聲效果。內部在鼻錐結構和消聲器中部由于聲波的反復反射，形成部分渦流，容易形成二次振動噪聲。在消聲器出口處，流體的速度及消聲器內部壓力會突然增加，形成激噴現象，結構上有待改進。

2.在消聲器的設計中，評價消聲效果的一個重要指標是壓力損失。壓力損失越大，消聲效果越好；但另一方面，壓力損失越大，對發動機功率的影響越大。因此在消聲器的設計中應該綜合考慮壓力損失對消聲效果和發動機功率的影響，取得一個最優值。可以改變鼻錐部分的角度，進行仿真計算，并與原消聲器計算結果進行比較分析，得出結構改變對消聲器性能的影響。

河南工程學院青年基金項目“汽車排氣消聲器的結構優化設計”（Y2007024）。