小孔喷注复合式消声器综合性能分析和优化

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

空气压缩动力发动机的崛起对传统的燃油发动机发起挑战,其结构简单、安全、经济和清洁的优点,证明了它的商用价值和实用性。空气压缩动力发动机,以压缩空气为动力,其特点能量转换效率相对高、消耗成本相对低;其缺陷在于自身储能密度的限制,其升功率有限,不能达到传统内燃机的水平。引入混合动力,既可以有效利用柴油机废热,又可以提高高压气体可用能的利用效率。压缩空气/燃油混合动力发动机在压缩空气动力和内燃机两种模式下运转。发动机在低负荷或低速时采用压缩空气动力模式,充分发挥气动发动机低速大扭矩和零污染的特点[1];在负荷较大或速度较高时采用内燃机模式。 传统抗性排气消声器在结构上大都采用扩张室、内插管、穿孔管、穿孔板等元件的组合。传统抗性排气消声器对低频噪声消声性能较差,且气流在通过腔室以及穿孔板或穿孔管时局部受阻,排气阻力大,发动机功率损耗严重[2]。 压缩空气动力所需要的储存压力达到数百个大气压,工作压力为几十个大气压,排气压力也达到几十个大气,发动机对排气消声器的要求更高,传统的消声器已不能有效承受这么大压力[3];同时由于混合动力发动机的两种工作模式,使得排气噪声覆盖的噪声频段变宽,加大了整体排气消声的难度。因此研究能有效降低混合动力发动机排气噪声,且声学性能好、排气阻力低的高效节能消声器显得非常必要。 基于混合动力发动机排气压力波动大、噪声频带宽、低频噪声峰值突出的特点,根据进排气噪声频谱的分布情况将不同消声元件组合起来,产生新型复合式消声器。但是消声器结构越复杂,压力损失越大,加工成本、难度越高,所以要在掌握基本消声单元的消声特性和和空气动力性能的计算和分析方法上,根据进排气噪声的频谱特性,选择合适的复合式消声结构[4]。通过文献查阅和前人研究,发现小孔喷注结构元件和扩张室的复合式最符合论文研究要求,利用小孔喷注的移频作用、扩张室抑制低频峰值及多级串接加宽频可以实现混合动力发动机排气噪声控制。

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1.2 复合式消声器的研究现状

上世纪四十年代,Peik 在其专利中就提出了阻抗复合式消声器的概念,他将吸声材料放置在抗性消声器腔体中从而得到宽频的降噪效果[5]。此后一些学者通过组合不同类型的消声结构,对复合式消声器的声学特性进行了研究。Selamet 等人采用边界元法计算了包含一个共振式消声器和两个阻性消声器的复合式消声器的声学特性[6]。Denia 利用二维解析法计算了包含穿孔管、吸声材料和空腔的出入口管道延伸结构的阻抗复合式消声器的声学特性[7]。Ji 利用边界元法计算包含直通穿孔管消声器和阻性消声器的复合式消声器的消声性能 [8]。 国内,周晋花研究了带有吸声材料的复合穿孔板吸声结构的声学特性[9],比较了吸声材料紧贴穿孔板和吸声材料紧贴刚性壁时吸声结构的声学性能,分析了吸声结构的参数对吸声性能的影响[10]。周新祥利用有限元法计算了阻抗复合式消声器的动态特性[11]。张文平利用三维数值方法进行了某柴油机的排气系统阻抗复合式消声器的声学性能分析和内部流场模拟[12]。 小孔喷注技术国内在消声器结构的设计上应用很广,马大猷在这方面的研究取得了很好成果[13]。小孔喷注技术通过控制小孔的直径达到移频目的,从而使低频噪声降低,高频噪声升高[14]。是目前对低频噪声控制最有效应用最广的方法。在数值仿真方面,消声器声学性能数值仿真常用的方法有边界元法和有限元法。在消声器尺寸较大或分析频率较高时,边界元法比有限元法效率更高。有限元法首次是由 Young 和 Crocker 应用到消声器传递损失计算中的[15]。而边界元首次由 Seybert 和 Chen应用于计算无气流下的消声器的声学性能[16]。随着计算机的发展,数值仿真软件不断开发和升级,被应用到声学、流体力学等领域,加快了国内消声器数值仿真的研究水平。王雪仁,季振林利用快速多极子边界元计算了扩张式消声器、阻性消声器和考虑三维势流的消声器的传递损失[17]。葛蕴珊等人在利用三维有限元法研究简单扩张式结构和共振式消声器消声性能的基础上,对复杂穿孔管结构的消声器进行了声学性能预测[18]。李以农利用 CFD 方法研究汽车排气消声器内部的流场和温度场,分析气流速度、温度和压力分布对消声器性能的影响[19]。

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第二章 复合式消声器理论和设计基础

2.1 小孔喷注理论

喷注噪声,即气体以高速流出各小孔,卷吸孔外周围环境的气体产生剧烈的扰动,随之辐射出的强烈噪声(喷注噪声为四极子声源)[39]。从管口喷射出来的高速气流通过各小孔与周围静止气体剧烈混合产生的喷注噪声,具有高峰值的宽屏带噪声[40]。 如图 2-2-1 所示自由喷注,从高压容器流经圆形喷嘴释放出气流。开始在入口管时气体速度还是为零,到了圆管最窄截面处时流速达到最大[41]。从图中划分区域看,喷注包括了混合区、过渡区和充分发展区等。小孔喷射高速气流,由于内部的静压值远远低于小孔外周围环境的静压,从而在高速气流四周产生剧烈的引射现象,使得沿喷射方向一定距离范围的气体被喷射气流卷吸过来。随着周围大量气体不断被卷吸,中间高速气流体积逐渐变大,速度从而变小。在小孔孔径截面附近处,一直保持着体积随距离变小的高速气流,速度的大小依然等于小孔刚喷出的速度值,把这中间一小体积喷射流称为势核。势核的范围长度一般为小孔孔径的 5倍大小,之后的过度区占小孔孔径的10倍大小。势核处的高速气流和周围被卷吸的气体激烈混合,湍化程度最高,从势核经混合边界到周围环境的气流速度梯度大,同时内部作用产生的应力和压强复杂多变,涡流强度高,随之辐射出的噪声较强。

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2.2 传统消声器理论基础

根据噪声时域起伏的程度看,排气噪声可分成三大类:间歇性噪声、周期性噪声和稳定性噪声[43]。本文研究的压缩空气/燃油混合动力发动机排气噪声包括了周期性噪声和间歇性噪声两类。由于混合动力发动机压缩空气动力和内燃机两种模式下运转,发动机在低负荷或低速时采用压缩空气动力模式,此时排气噪声以间歇性噪声为主[44];在负荷较大或速度较高时采用内燃机模式,此时排气噪声以周期性噪声为主。 稳定性噪声就是指大小幅值基本维持相同的排气工况,这种情况一般发生在理想状态下、排气供给充足或者有反馈控制的条件。比如空气压缩机站储气罐的排气,在往大气排气产生的噪声就属稳定性噪声,是因为储气罐体积大,排气管直径小,排气时间长,排气供给充足,让整个过程维持基本相同大小的排气噪声[45]。但稳定性噪声在生活中毕竟少,受到我们复杂多变的工况制约,周期性噪声和间歇性噪声占主要地位。 周期性噪声顾名思义就是排气过程噪声大小周期性变化。本文研究的压缩空气/燃油混合动力发动机在负荷大、高速时采用的内燃机模式产生的噪声就属周期性噪声。周期性噪声就需要求我们用频率分析特性,在降噪上主要要求的是幅值的降值。排气在流经消声器过程中,以基频噪声和涡流噪声为主,基频噪声和涡流噪声都属于周期性噪声[46]。内燃机排气随着排气门周期性的开关,气流冲击消声器进口处产生压力的变化即也显周期性的,此周期性低频噪声源就是基频噪声。

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第三章 消声器声学性能和流场仿真........ 29

3.1 小孔喷注复合式消声器仿真理论分析 ....... 29

3.1.1 传递导纳理论 ...... 29

3.1.2 消声器声学有限元理论 ..... 32

3.2 小孔喷注辐射声场仿真 ........ 34

3.3 小孔喷注复合式消声器的声学性能仿真 .......... 39 3.4 对小孔喷注复合式消声器的空气动力性能仿真 ...... 50

3.5 本章小结......... 53

第四章 小孔喷注复合式消声器仿真优化 ....... 55

4.1 小孔喷注孔径参数对整体消声性能的影响 ...... 55

4.2 两级扩张室结构的流场仿真分析 ....... 57

4.3 喷注孔径的空气动力性能仿真优化 ........... 59

4.3.1 二次规划优化算法的应用 ......... 59

4.3.2 Isight 仿真软件操作及前处理 .... 61

4.3.3 喷注孔径的空气动力性能优化仿真结果 ........ 63

4.4 声学性能仿真验证 ........ 64

4.5 本章小结......... 65

第五章 小孔喷注复合式消声器消声效果预测....... 67

5.1 数据采集......... 67

5.2 消声器消声效果预测 .... 68

5.3 本章小结......... 69

第五章 小孔喷注复合式消声器消声效果预测

仿真验证是通过优化得出的最佳空气动力性能参数对复合式消声器重新建模,对其进行声场仿真,对比优化前的传递损失,进行声学性能的验证。消声效果预测,通过实验测试收集源噪声并进行数据转换,导入到模型中模拟计算对应的传递损失,即为消声效果预测结果。

5.1 数据采集

消声效果预测部分的内容为:通过采集录制噪声源音频文件,再通过Matlab 软件进行数据处理,得出噪声源的功率谱;把噪声源功率谱导入模型入口进行仿真计算,得出小孔喷注复合式消声器传递损失的预测值。 这里数据采集使用的 BK2250 声级计,其宽频线性频率范围为4.2HZ~22.4KHZ,附带的 4189 传声器具有高灵敏度,常被用于高精度自由声场测试。用 BK2250 声级计采集录制发动机排气噪声作为噪声源,保存为音频文件;使用Matlab 读入音频文件,经过傅里叶变换及滤波处理得到其功率谱;为方便观察,用 Matlab输出命令将其功率谱以 xls格式输出,并导入 Virtual.LAb 后处理工具,转换成声压级,如图5-1-1 所示。 如图 5-1-1 可见其排气噪声特点:从整体上看,由低频到高频,声压级逐渐下降;此噪声源的高声压级集中在低、中频段,中、高频段声压级呈不明显下降;同时从频率范围看,噪声源频率覆盖整个可听范围,覆盖范围广。对于此噪声源,传统消声器在中、低频段处无法取得理想降噪效果,对此下面把此噪声源导入小孔喷注复合式消声器模型进行消声效果预测计算。

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总结

本文出于对未来发动机发展趋势,发动机排气噪声比传统排气噪声在声功率上有所提高,所以在排气降噪方面迫切需要升级。发动机排气降噪受到空间和位置的限制,消声器结构一直都是大家设法突破的难点,本文研究的结构中引入小孔喷注,其空间占用小,在低、高频段又有很好的消声性能,与扩张室的串联增加了其整体消声频率范围和能力,即成为本文研究的核心。

1) 本文研究的结构是建立在传统消声器的基础上,是对传统消声器的升级,在扩张室研究方面都是建立在前人的理论基础上,本文的重点放在了小孔喷注的仿真分析上。在分组仿真、对比仿真中,得出小孔喷注的辐射特性;通过对比也发现了其“移频”特性结果。

2) 在声场模拟仿真中,通过对不同组结构的仿真,计算出各自的传递损失结果。在结果的对比分析过程,得出的结论是:小孔喷注在低、高频率段因其“移频”特性有很好的消声性能;在中间频率段,小孔喷注串联扩张室增强了单一扩张室的消声能力。综上得出,小孔喷注串联两级扩张室复合式结构消声器在宽频范围内比传统消声器消声性能都有所突破。

3) 在取得理想消声性能时,发现其空气动力性能并不理想,所以为了提高消声器的综合性能,基于空气动力学理论,对小孔喷注参数进行了优化仿真。通过空气动力性能优化仿真,降低了整体结构的阻力系数,达到可接受范围。至此,本文研究的结构所用参数,满足其空气动力性能在可接受的范围内,实现了在消声性能上的提高。