基于GT-POWER的排氣消聲器數值仿真設計

劉保林

摘 要：運用GT-POWER軟件模擬簡單膨脹腔的傳遞損失與三維聲邊界元法的計算結果相比較證明該方法的可靠性;利用該方法設計了某型柴油機排氣消聲器，將改型柴油機噪聲降低了3.8dB（A）。

關鍵詞：GT-POWER;排氣;消聲器;仿真設計

國內外研究表明，排氣噪聲是發動機的主要噪聲源之一，消聲器是降低發動機排氣噪聲的重要部件，其性能好壞直接影響發動機的噪聲大小和功率損耗。本文主要敘述如何運用GT-POWER對的排氣消聲器數值進行仿真設計。

1 消聲器的主要評價指標

（1）傳遞損失：即消聲器進口處的入射聲功率級和出口處的透射聲功率級之差。

（2）插入損失：定義為安裝消聲器前后在某固定測點處測得的計數聲級或總聲壓值之差。由于插入損失便于現場測量，非常實用。在測量未安裝消聲器的排氣噪聲時應在排氣管口加裝一段與消聲器等長的空管，以保證在安裝消聲器前后測點不變。

（3）功率損失比： 內燃機在標定工況下不安裝消聲器時的功率與安裝消聲器時的功率之差和不安裝消聲器時功率的百分比。

2 某型原消聲器結構分析

原消聲器結構如圖1所示，采用單腔加兩段穿孔管、一塊穿孔隔板結構，容積比為3.2，擴張比為8.3。從結構上分析，原件的設計存在以下不合理的地方：

（1）容積小，空間利用不足。容積比、擴張比都較小，而消聲量很大程度上取決于這兩個參數。

（2）采用穿孔管和穿孔板結構：穿孔聲學元件的降噪量主要與穿孔率、小孔孔徑有關。穿孔率越小、孔徑越小，消聲量越大。但穿孔率過小、氣流的流動阻力損失則越大，功率損失亦大，經濟性能變差。因此，要提高消聲量必須減小孔徑， 要降低排氣阻力又必須增大通流截面系數，該消聲器這兩項難以同時滿足，我們認為在這種情況下采用小孔噴注結構是不理想的。

3 新消聲器的設計

傳統的消聲器設計法存在著不足：實驗周期長，人力物力消耗嚴重但仍不能取得好的效果，不能適應企業開發周期最小化的需要。隨著計算機軟件技術的發展，發動機性能仿真技術也得到了快速發展并逐漸成熟。GT-POWER就是其中優秀的仿真軟件之一，它的使用大大縮短了產品的開發周期，提高了企業的競爭力。

GT—POWER所應用的是一維流體假設的動力學模型，它綜合了發動機性能的分析代碼，并幾乎包含了發動機所有關鍵工況的細節模型，可以較完整地模擬發動機不同工況的性能變化。整個系統被劃分為許多小的控制單元體，單元體上又劃分成許多相互交錯的網格。也就是說所有的標量都以單元體的中心為計算標準，而所有的向量皆以單元體的邊緣為計算標準。形狀各異的氣體通道皆可轉化為功能相當的標準管件，最后形成發動機的管網化的模型，對發動機進行仿真。

消聲器內部穿孔管的存在使消聲器管網化具有相當大的難度和復雜性，不過GT—POWER擁有專門的消聲器設計系統，使復雜問題簡單化。GT—POWER擁有用于設計消聲器殼體外形的二維圖，可以對消聲器的前端及后端流通平面的形狀進行設計，在消聲器殼體中填充管子和其他部件生成完整的消聲器。

設計步驟如下：

3.1 前處理建模

GTPOWER提供了一個包含消聲器零件庫的二維繪圖區（如圖2），零件庫包括：隔板、消聲器殼體、直管、彎管、穿孔管、穿孔板等，使消聲器的制作十分的便捷。設計者可以根據兩個視角，方便地按工程圖的方式填充零件。繪制完二維圖后可以把模型直接轉化為三維圖（圖3），并可以用方向鍵對三維圖進行旋轉等操作，由于殼體是透明的，設計者可以清晰地比較是不是自己所希望的內部布置，并可回到二維加以改正。

3.2 生成網管模型

把設計的二維消聲器模型網管化，設計完二維模型后，將其轉化為*.dat件并在GT—ISE中導人便可生成連通的網管，這就是GT— POWER所需要的網管模型。在GT—ISE中添加聲源和傳遞損失的測試系統，設置好計算參數后，軟件便可運行，計算所設計消聲器的傳遞損失。

3.3 后處理

GT的后處理模塊GT-POST有很強的后處理功能，可以調出GT—ISE的計算結果，方便地對消聲器傳遞損失進行寬頻帶的比較，

導出計算結果等。

4 新型消聲器的設計方案

根據不安裝排氣消聲器時的排氣頻譜特性，對不同的消聲元件進行組合，同時優化尺寸參數后，利用GT計算不同方案消聲器的傳遞損失，選出仿真結果最好的兩種方案：甲、乙（如圖4、圖5）。

與原件相比，新方案在結構上主要做了如下改進：

（1）擴大容積，增大了容積比和擴張比。對結構形式相同、不同容積的消聲器進行的仿真結果表明，增大容積后消聲效果明顯增大。

（2）增加腔數，甲采用三腔結構，乙采用兩個腔。理論計算及仿真結果均表明，多腔結構可以在更寬的頻帶內獲得理想的消聲效果。

（3）采用內插管，一方面在消聲頻帶內增大了消聲量，同時可以在兩個通過頻率中消除一個;另一方面將穿孔管和穿孔板改成內插管，消聲器的氣流流動局部阻力損失中減少了氣流穿過小孔造成的阻力損失，而消聲器的沿程阻力損失變化不大，因而消聲器總的氣流流動阻力損失有所下降。

（4）動態試驗：我們制作了甲乙兩只新的消聲器，進行了柴油機的臺架試驗。在同一臺柴油機上分別裝上原消聲器及兩種新消聲器，測試消聲器口的A計權聲壓級，并記錄發動機油耗。測試時保證發動機在標定工況下運行，保證油溫水溫一直不變。測試結果如表1所示。

由表中數據可以得出，甲乙兩種消聲器插入損失大于原消聲器，消聲效果均比原件好的多，但乙的油耗并沒有增加，發動機功率損失小，因此綜合考慮乙消聲器是更好的選擇。

5 總結

（1）GT-POWER軟件的仿真結果與一維平面波的解析結果吻合度極高，與三維有限元計算結果符合性良好，因此GT-POWER的計算結果可信。

（2）利用流體動力學分析的仿真結果和實驗數據十分接近，進一步驗證了該方法的可靠性。

（3）本文設計了兩種消聲器，用GT-POWER仿真計算實際噪聲均低于原消聲器，臺架試驗表明新設計的消聲器具有較好的消聲性能，其中乙消聲器在油耗不增加的基礎上，排氣噪聲降低了3.8dB（A）。

參考文獻：

[1]劉宇.基于GT-power的汽油機仿真及優化設計[D].長春：吉林大學汽車工程學院，2006.

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