基于CFD的汽車發動機排氣系統噪聲分析

柴夢達，薛鐵龍

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

基于CFD的汽車發動機排氣系統噪聲分析

柴夢達，薛鐵龍

Chai Mengda，Xue Tielong

（合肥工業大學機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

為了降低發動機排氣系統噪聲，首先利用計算流體力學方法，對汽車發動機排氣系統模型的內部流場進行三維數值模擬；其次通過計算得到計算域內流場分布，觀察打開不同排氣歧管入口時消音器及尾管的內部流線圖、催化轉化器內部氣體流動均勻性來研究分析發動機排氣歧管噪聲的產生原因。最后根據分析結果找出原結構中不合理的部位，并提出2種對發動機排氣系統的優化改進方案，以達到減小排氣阻力和排氣噪聲的目的。

計算流體力學；流場；排氣系統；流動均勻性；噪聲

0 引 言

隨著我國經濟持續快速發展，汽車的保有量迅速增加，汽車行駛速度也越來越快，帶來了日益嚴重的噪聲污染。有關文獻顯示，城市環境噪聲70%來源于機動車輛[1]，汽車行駛中所產生的噪聲已經成為最主要的交通噪聲污染源。較大的汽車噪聲會對乘員情緒產生影響，使其容易疲勞，從而減小駕乘樂趣[2]。汽車發動機排氣系統的噪聲又是汽車噪聲中較為主要的一個方面，因此，對汽車發動機排氣系統噪聲的相關問題進行研究，具有十分重要的現實意義。

針對汽車的噪聲污染問題，一些發達國家從20世紀60年代開始對如何減小機動車輛噪聲排放展開研究，并制定了許多法規和標準進行控制[3]。我國也在這個領域展開了一些研究和探索，并制定了相關行業標準，有效地推動了汽車降噪工作的展開[4]。

傳統的研究方法主要是針對消音器部分，通過試驗測定采用不同尺寸、形狀消音器時排氣系統噪聲的大小以確定改進方案。然而這種研究方法具有試驗受到現實條件限制和成本較高等缺點，已經無法滿足現代研究的需要。近年來，計算流體力學（Computational Fluid Dynam ics，CFD）已經廣泛應用于汽車各方面的模擬，也包括對汽車噪聲污染的研究，相對于傳統研究方法，其具有以下優點：可以代替難以實施的試驗、節省研發經費，更加快捷，且準確性也可以得到保證[5]。文獻[1]運用 GT-power軟件建立發動機系統仿真模型，分析進排氣管長度對于發動機充氣效率的影響[6]；文獻[2]采用GT-power軟件對某汽油機進排氣口噪聲進行了模型計算，得到管口處的聲學特性，并進行了該發動機進氣口處的噪聲試驗，以驗證進氣口噪聲模擬計算結果[7]；文獻[3]利用三維建模軟件UG建立仿真計算所需的幾何模型，用Fluent軟件對發動機的進排氣系統進行三維瞬態數值模擬，得到其內部的壓力場、速度場和湍動能場的分布[8]。

文中以CFD為基礎，使用流體數值模擬軟件STAR-CCM+對某發動機排氣系統空氣動力學性能進行模擬分析，研究其內部流場結構，重點考察氣體流動均勻性，并在分析結果的基礎上，提出改進意見，盡可能減小排氣系統噪聲。

1 數值模擬計算

1.1 模型的建立

仿真模型來自某車型排氣系統的三維CAD模型。為了節約計算成本和時間，在確保計算結果正確可靠的前提下，對模型進行了一些簡化。由于主要目的是研究排氣系統內部噪聲的情況，所以忽略一些外部特征，例如彈簧等外凸裝置以簡單的曲面代替，其他對計算結果有重要影響的部位盡量保留下來。接下來將 CAD模型導入Hypermesh中進行簡化并且劃分面網格，再將面網格導入Tgrid中劃分體網格。模型表面附近生成5層網格以計算附面層的影響，其余區域使用四面體網格，經過處理后的模型如圖1所示。

1.2 計算參數和邊界條件

1.2.1 計算參數設置

為了提高計算的精確性，仿真計算采用Realizable K-epsilon湍流模型，適用于涉及快速應變、中等渦、局部轉捩的復雜剪切流動（如邊界層分離、塊狀分離、渦的后臺階分離、室內通風等），空間離散采用二階迎風差分格式。迭代方式采用Simple算法，這種算法是計算不可壓流場的主要方法[9]。

1.2.2 邊界條件設置

為了更好地研究分析發動機排氣系統中的流場情況，將排氣歧管的4個入口進行編號1、2、3、4，每次只打開其中1個入口而關閉其他3個入口，進行4次模擬，如圖2所示。

實驗測得計算域入口質量流量為 0.090 1 kg/s，觀察不同入口的氣流影響。每次模擬的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

1.3 排氣系統噪聲分析

發動機排氣系統內部流場情況復雜，單從一個方面考慮難以全面地了解其內部噪聲情況，文中主要通過催化轉化器內部流動均勻性分析、消音器及尾管流動噪聲來進行考慮。

1.3.1 流動均勻性分析

氣體流動均勻性是指氣體的物理特性在空間各點的測量結果相同的程度。在發動機排氣系統中，氣體流動均勻性越差，流動越不穩定，越容易產生湍流，相對地噪聲也就越大。利用STAR-CCM+軟件可以得到發動機排氣系統中的流場流動均勻性，從而來評價發動機排氣系統噪聲。發動機排氣系統內氣體流動均勻性和噪聲緊密相關，要研究各種因素對流動均勻性的影響，必須對流動均勻性給出合理的評判標準，以便找出改善載體流動特性的有效辦法。Wendland和Matthes[10]曾用不均勻性指數研究了載體的流動問題，定義不均勻性指數

其中，wpeak、wmean分別為截面最大速度和平均速度。這種定義的好處是簡單方便，但是只反映了極值點的流動均勻性，文中采用 Weltens[11]等人定義的氣體流動均勻性

其中，wi為節點單元的速度；wmean為平均速度。

n為指定面上的節點單元數目。顯然，這里用均方差定義的均勻性指數能夠更加合理、全面地反映整個載體截面的流動分布特性。

在前級催化轉化器中間面取一個截面，通過觀察該截面上的流動均勻性來評估前級載體流動均勻性，在后級催化轉化器中間面取一個截面，通過觀察該截面上的流動均勻性來評估后級載體流動均勻性。當流動均勻性值較小時，認為其流動均勻性比較差，產生較大的噪聲；當流動均勻性值較大時，認為其流動均勻性較好，該部位噪聲較小,通過仿真得到的載體流動均勻性如圖3。

由圖 3中可以看出，前級載體的流動均勻性為0.96，而后級載體流動均勻性為0.89。相對地，在前級部分氣流流動比較均勻，不容易產生渦流，從而前級產生的噪聲也相對較小，后級流動均勻性較差，流動相對不均勻，氣流在這個部分容易產生渦流，相對地噪聲也較大。

1.3.2 內部流線圖分析

分析其流動均勻性只能定性地評估排氣系統的噪聲情況。在STAR-CCM+繪制出氣體流線圖，可以通過流線圖來具體觀察排氣系統內氣流運動情況，這種方式較為直觀，分別打開 4個入口中的1個而關閉其他3個，通過氣體流線圖來分析消音器及尾管流動噪聲。

將4個排氣歧管分別編號，當只打開入口1，關閉其他3個入口時，得到如圖4所示的內部流線圖。

從圖4可以看出，歧管入口1排出的廢氣在排氣管中內部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產生；后級催化轉化器進口錐內部有渦流產生，造成局部流動阻力增加。

當只打開入口2，關閉其他3個入口時，得到如圖5所示的內部流線圖。

從圖5中可以看出，歧管入口2排出的廢氣在排氣管內部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產生。

圖 6顯示，后級催化轉化器進口錐內部有渦流產生，造成局部流動阻力增加；歧管內產生紊亂的渦流，造成歧管流動阻力增加。

當只打開入口3，關閉其他3個入口時，得到如圖7所示的內部流線圖。

從圖7中可以看出，歧管入口3排出的廢氣在排氣管內部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產生；而后級催化轉化器進口錐內部有渦流產生，造成局部流動阻力增加；圖中圓圈處折轉角較為急劇，增加流動阻力；歧管內產生紊亂的渦流，造成歧管流動阻力增加。

當只打開入口4，關閉其他3個入口時，得到如圖8所示的內部流線圖。

從圖8中可以看出，歧管入口4排出的廢氣在排氣管內部流線整體上較為通暢；尾管流線通順，沒有旋流產生；而后級催化轉化器進口錐內部有渦流產生，造成局部流動阻力增加；歧管內產生紊亂的渦流，造成歧管流動阻力增加。

在氣流流動較為通順的區域，沒有旋流產生，相對噪聲較小，而在產生紊亂渦流的區域，由于流動阻力的增加，也會相應產生流動噪聲。

1.3.3 總結

通過對流體流動均勻性和內部流線圖的分析可以看出：前級催化轉化器的流動均勻性平均值為 0.96，流動均勻性良好，后級催化轉化器流動均勻性平均值為0.89，相比前級會產生較大噪聲；歧管以及后級催化轉化器進口錐有渦流產生，會造成局部流通阻力增加；后級催化轉化器載體內高速區域低于指標，表明載體有效利用面積略少。

2 優化方案

根據分析得到的結論，該排氣系統總體噪聲情況較好，但應對一些部位進行改動以進一步減小流動噪聲。

該系統后級載體流動均勻性以及高速區域值較差，并且后級載體進口錐段內產生渦流，均易產生流動噪聲。根據以上分析提出以下建議。

方案1，增大圖9中所示的排氣管的管徑。

在流線圖的分析中可以看出此處的管徑較小，氣體轉角較為劇烈，通過此處的流動阻力較大，從而產生流動噪聲。可以增大此處管徑，使氣流平穩通過，以減小氣流噪聲。

方案2，后級催化轉化器選用直徑略小的載體。

跟方案 1相似，氣流從排氣管進入后級催化轉化器時，所經過的轉角較大。可以在不改變管徑的情況下，后級催化轉化器選用直徑略小的載體，也可以起到減小流動阻力的效果。

方案1和方案2都是為了使氣流在后級催化轉化器處能平穩通過，采用不同方式來減小流動阻力，從而達到抑制流動噪聲的目的。

3 結 論

1）通過對汽車排氣系統的數值模擬計算，得到計算域內流場分布，分析其內部流場特性和氣動阻力產生的原因。

2）分別考察催化轉化器內流動均勻性和打開不同歧管入口時消音器及尾管內部流線圖，具體研究分析了噪聲產生的部位和原因。

3）分析表明后級催化轉化器進口處易產生渦流從而產生流動噪聲，根據分析結果提出 2種改進方案以達到減小噪聲的目的。

[1]羅敏. 鋸齒型迷宮密封的流場有限元模擬及實驗研究[D]. 大慶：大慶石油學院，2001.

[2]鄭忠才，馬洪芳，王秀葉，等. 發動機新型阻抗復合式排氣消音器的設計與實驗研究[J]. 山東內燃機，2003（2）：6-9.

[3]趙士林. 國內內燃機技術發展動向綜述（一）[J]. 內燃機，1996 （2）：56-62.

[4]孫林. 國內外汽車噪聲法規和標準的發展[J]. 汽車工程，2000，22（3）：154-157.

[5]劉勝. 車用汽油發動機仿真研究[D]. 合肥：合肥工業大學，2007.

[6]彭才望，陽林，賀紹華，等. FSAE賽車發動機進排氣管分析[J].公路與汽運，2012（5）：19-21.

[7]邊強. 發動機進排氣系統聲學特性研究[D]. 天津大學，2012.

[8]張莉. 汽車發動機進排氣系統的 CFD分析及結構優化[D]. 太原：太原理工大學，2010.

[9]視春濤，張寶歡，金則兵，等. 湍流模型的發展及其在內燃機CFD中的應用[J]. 拖拉機與農業運輸車，2006（1）：5-10.

[10]Wendland D W，Matthes W R. Visualization of automotive catalytic converter internal flow[R].SAE Paper 861 554，1986，p3.

[11]Weltens H，Bressler H，Terres F，et al. Optim isation of catalytic converter gas flow distribution by CFD prediction[R].SAE Paper930 780，1993，p4.

U464.134+.4：U467.4+93

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.009

1002-4581（2015）02-0033-05

2014?12?16