反流插入管消聲器壓力損失的分析*

李沛然，鄧兆祥，姚 杰，向 飛

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044;2.汽車噪聲振動和安全技術國家重點實驗室，重慶 400039)

前言

汽車消聲器過大的壓力損失會導致發動機功率下降，增加整車燃油消耗。因此，消聲器的低壓力損失特性成為汽車設計人員的追求目標。目前對于消聲器壓力損失的研究主要是對消聲器的內部流動特性進行分析和改進，以減小壓力損失［1－3］。

然而消聲器是由各種子結構構成，若對這些子結構壓力損失特性，特別是尺寸參數對其壓力損失的影響規律缺乏了解，消聲器設計就存在盲目性，嚴重降低設計開發效率。

為此已有一些學者開始研究這些子結構的影響。一方面橫向比較不同子結構間壓力損失的差別或分析壓力損失隨進口流速的變化趨勢［4－7］;另一方面，一些研究開始討論尺寸參數對同軸擴張腔［8－11］、非同軸擴張腔［8］、同軸插入管［8，12］、非同軸插入管［8］、直流穿孔管［8，13－14］、橫流穿孔管［8，15］、橫流三管［8，16］、反流三管［8］、偏置插入管雙腔［8］和同軸擴張腔雙腔［8］的壓力損失的影響規律和產生這些影響的內在原因［10－11］。

文獻［6］中提到反流插入管的進口管與后壁面的距離對其壓力損失具有決定性作用，過近的距離將導致較大的壓力損失，然而并未詳細討論這一參數對反流插入管消聲器的壓力損失的影響規律和產生機理。

為幫助設計人員在設計階段合理選擇進口管與后壁面的距離，本文中在經過試驗驗證的數值模型基礎上，采用計算流體力學(CFD)方法研究進口管與后壁面距離對反流插入管消聲器壓力損失的影響規律，并揭示其成因。

1 研究對象和方法簡述

本文中研究的是反流插入管式消聲器，該結構形式廣泛應用于汽車排氣消聲器中。反流插入管消聲器模型結構如圖1所示，其中D0為腔體直徑，D1、D2分別為進口管、出口管內徑(簡稱為管徑)，S為進口管與出口管中心距，L0為腔體內部長度，L1、L2分別為進口管、出口管管端離后壁面距離。

利用CAD軟件CATIA建立反流插入管消聲器的三維流體模型，并采用前處理軟件ANSA進行了六面體網格劃分，進、出口和腔體外表面分別設置不同的表面網格編號，從而得到反流插入管式消聲器的CFD分析模型。為使問題簡化，作如下假設:①消聲器固體區和流體區的物理性能參數均為常數;②流動為定常流動中的湍流;③不考慮重力的影響;④消聲器進口速度為勻速，沒有脈沖影響。

CFD計算采用基于有限體積法的ANSYS CFX 12.0軟件，利用k-ε模型進行求解。具體求解參數、邊界條件與文獻［10］中相同。

2 計算方法準確性驗證

為確保數值計算結果的有效性，首先計算D0=200mm，D1=40mm、D2=40mm、S=80mm、L0=300mm、L1=80mm、L2=200mm的模型A，并制作相同尺寸的試驗樣件，在如圖2所示的試驗臺上按《GB/T 4760—1995 聲學:消聲器測量方法》［17］，通過變頻器控制渦旋風機電機轉速來控制進口流速，進行不同進口流速v(5～60m/s，間隔5m/s)下的壓力損失試驗，環境溫度T為20℃，試驗照片見圖3。然后將試驗結果與仿真計算結果進行比較，見圖4。

仿真與試驗結果的誤差在各流速下均低于6%，在工程計算允許的誤差范圍內，說明仿真計算選用的模型和計算方法是合理的。

3 進口管與后壁面的距離對壓力損失的影響

3.1 進、出口管與后壁面的距離對壓力損失的影響

給定進口平均氣流速度為v=50m/s時，改變出口管與后壁面的距離L2(20～300mm)，壓力損失隨進口管與后壁面的距離L1的變化規律如圖5所示。由圖5可見:在相同L1時壓力損失隨L2的增大而整體減小，但變化幅度不大;L2相同時，L1在20～250mm范圍內對壓力損失的影響較小，當 L1＜20mm時，壓力損失隨L1的減小而急劇增大，并且L2不同時其壓力損失變化規律一致。為便于引述，定義壓力損失隨L1變化過程中出現的壓力損失發生明顯變化所對應的進口管與后壁面的距離為“臨界壁面距離”，并用Lc表示。當L1小于臨界壁面距離時，壓力損失隨L1的減小而急劇增大;當L1超過臨界壁面距離后，壓力損失變化趨于平緩，改變很小。

3.2 進口邊界條件、介質邊界條件和尺寸參數對臨界壁面距離的影響規律

3.2.1 進口平均流速對Lc的影響規律

圖6為不同進口流速v(30、50和70m/s)情況下壓力損失隨L1的變化曲線。由圖可見:隨流速增大，壓力損失整體變大，與前面的試驗結果相同;不同流速下壓力損失隨L1變化規律相同，且Lc不隨流速的變化而變化。

3.2.2 介質溫度對Lc的影響規律

壓力損失與其內部介質的黏度和密度有關。對于汽車用消聲器而言，內部介質為空氣，由于溫度影響空氣的物理特性，在計算過程中應考慮空氣的溫度對壓力損失的影響。

圖7為不同介質溫度(293.15、400、1 000和1 500K)下壓力損失隨L1的變化曲線。由圖可見:隨介質溫度增大，介質密度下降，壓力損失整體變小;不同介質溫度下壓力損失隨L1變化規律相同，且Lc不隨介質溫度的變化而變化。

3.2.3 腔體長度對Lc的影響規律

圖8為不同腔體長度L0(300、400和500mm)下壓力損失隨L1的變化曲線。由圖可見:隨腔體長度增大，進、出口管相應變長，沿程損失增加，壓力損失整體略有增大;不同腔體長度下壓力損失隨L1變化規律相同，且Lc不隨腔體長度的變化而變化。

3.2.4 腔體直徑對Lc的影響規律

圖9為不同腔體直徑D0(200、300和400mm)下壓力損失隨L1的變化曲線。由圖可見:隨腔體直徑增大，局部損失增加，壓力損失整體小幅增大;不同腔體直徑下壓力損失隨L1變化規律相同，且Lc不隨腔體直徑的變化而變化。

3.2.5 進、出口管中心距離對Lc的影響規律

圖10為不同進、出口管中心距 S(60、80和100mm)下壓力損失隨L1的變化曲線。由圖可見:進、出口管中心距S對壓力損失基本上沒有影響。

3.2.6 出口管管徑對Lc的影響規律

圖11為不同出口管徑D2(40、60和80mm)下壓力損失隨L1的變化曲線。由圖可見:隨出口管管徑的增大，氣流出口流通面積增大，壓力損失整體變小，但隨出口管管徑的進一步增大，變化幅度減小;不同出口管管徑下壓力損失隨L1變化規律相同，且Lc不隨出口管管徑的變化而變化。

3.2.7 進口管管徑對Lc的影響規律

圖12為不同進口管徑D1(20、40、60和80mm)下反流插入管消聲器壓力損失隨L1的變化曲線。從圖中可以看出，進口管管徑的增大，壓力損失變化出現了與前面其他參數不同的變化規律:不同的進口管徑有著不同的臨界壁面距離Lc。將圖12橫坐標變為L1與進口管管徑D1的比值，得到圖13，由圖13可知:Lc與進口管徑正相關，且約等于進口管管徑的一半(即進口管半徑)。

3.3 臨界壁面距離產生原因分析

圖14～圖16分別為進口管管徑D1=40mm時不同 L1(10、15、20、23、28、30 和 35mm，分別對應 A～G)的反流插入管消聲器內部壓力、流速和湍動能圖，圖17為進口管出口處內部壓力、流速和湍動能局部放大圖。由圖14可見，在與進口管出口正對的消聲器后壁面處形成了半球形高壓區域，因而形成圖15中該區域流速很低的“滯區”。而由圖16可見:湍動能一方面存在于出口管管口部分，但其大小和分布范圍基本不隨L1的變化而變化;另一方面，隨L1的減小，進口管與滯區發生干涉，氣體流通面積減小，湍流迅速增加，在壁面附近形成較高的湍動能(圖16)，引起壓力損失的急劇增大。

從前面分析可以看出，反流插入管消聲器壓力損失臨界壁面距離Lc主要與進口管管徑D1相關，而與進口平均流速、介質溫度、腔體長度、腔體直徑、進出口管中心距離、出口管管徑、出口管與后壁面的距離關系不大。

由于進口管出口正對的消聲器后壁面處形成的半球形高壓區域(“滯區”)的直徑約等于進口管管徑，因此當進口管與后壁面距離小于“滯區”的半徑時，消聲器壓力損失急劇增加。因此可以利用Lc=D1/2估算Lc。在設計反流插入管消聲器時為避免壓力損失過大，應使進口管與后壁面距離大于進口管半徑。

4 結論

(1)進口管離后壁的距離對反流插入管消聲器的壓力損失影響存在一個臨界距離Lc，如果離后壁的距離小于Lc會造成壓力損失急劇升高，離后壁的距離大于Lc壓力損失變化很小。

(2)Lc與進口管管徑相關，而與進口平均流速、介質溫度、腔體長度、腔體直徑、進出口管中心距離、出口管管徑關系不大，是反流插入管消聲器的固有參數，并可以利用公式估算反流插入管消聲器臨界壁面距離。

(3)臨界壁面距離產生的原因是由于進口管氣流與后壁面形成近似的“壁面射流”，形成與進口管管徑相同的半球形“滯區”，在“滯區”內壓力較高，氣流速度很低，當進口管與壁面距離接近滯區后，氣流與滯區內氣體作用，產生較高的湍動能，引起壓力損失急劇變大。

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