comsol 颗粒过滤型系统的声学

颗粒过滤型系统的声学
这个二维轴对称模型使用多孔弹性波接口研究穿过颗粒过渡系统的声波传播，其中耦合了入口的声压和出口的多孔弹性波。

介绍
这是在类似颗粒过滤器的系统中的声学模型。

真实系统，如柴油颗粒过滤器（DPF），被设计为从柴油机车辆的排气中去除/过滤烟尘（柴油颗粒）。

这种系统中的多孔介质通常被构造成具有长的充气管道。

为了简化该模型，假定过滤器几何形状是轴对称的，并且管道由多孔材料塞内的长圆柱形槽表示。

虽然微粒过滤器的主要功能是过滤排气流，但过滤器也具有与消音器系统有关的声阻尼特性。

该模型使用声- 波弹性波相互作用多物理场界面分析简化的2D轴对称微粒滤波器的几何的声学特性。

该界面描述了通过声- 多孔边界多物理耦合在流体中耦合到波的多孔材料中传播的小变形弹性波。

该模型考虑了耦合位移，因此是流体- 结构相互作用问题。

模型定义
三个对准的气缸构成正在研究的微粒过滤器系统：入口，出口和主过滤器气缸。

微粒过滤器位于过滤器筒内。

图1示出了2D轴对称几何形状的rz平面中的横截面的草图。

中心区域中的过滤器的长度为Lfilter = 200mm，过滤器半径为Rfilter = 150mm。

入口和出口管半径为R tube = 50mm。

过滤器由结构化的充气多孔材料（棕色区域）组成，其可以是碳化硅基质。

空气填充槽（浅蓝色）的宽度为dh = 5mm，多孔壁的厚度为ht = 3.2mm。

在每个树丛的尽头有一个不可渗透的钢塞（黑色）。

系统的其余部分充满空气。

宽槽用于简化模型。

在实际的DPF系统中，槽由典型宽度为1-2mm的长细管替代，并且多孔壁具有0.3-0.5mm的典型宽度。

图1：具有所示尺寸的微粒过滤器的几何形状。

假设多孔材料是各向同性的，具有如表1所列的材料参数。

表1：多孔基体的材料参数
注意，Biot-Willis系数等于刚性多孔材料的孔隙率，并且对于软多孔材料（或固体在液体中的悬浮液）等于1。

流体参数是包括压缩性χ的空气的参数，其对于理想气体等于（p 0）-1，其中p 0是绝对压力（这里是1atm）。

滤波器的声学特征是传输损耗TL（以dB给出）作为频率f的函数。

它被定义为
其中pincident是入口入口压力，pout是出口压力。

您为频率间隔20 Hz-2000 Hz求解模型。

设置多孔材料模型时，还需要指定是否对流体粘度使用低频（默认）或高频范围近似。

两个范围之间的过渡由表达式给出的参考频率fc定义
其中ρf是流体密度（对于空气1.2kg / m 3），μ是流体的动态粘度（对于空气1.8·10 -5 Pa·s）。

使用上述材料参数给出了100kHz量级的参考频率。

因此，低频范围适用于当前问题。

结果与讨论
通过轴对称简化颗粒过滤器的声传输损耗TL针对20Hz至2000Hz的频率范围确定并且在图2中示出。

图2：通过简单颗粒过滤器的传输作为频率的函数。

所述损失被视为与实际微粒过滤器（如柴油机微粒过滤器，DPF）相同的数量级，如上所述，多孔介质通常结构化为具有减小声阻尼同时保持良好过滤性能的长管道。

在这种轴对称模型中，管道采用3D中的圆柱形狭缝的形式，这可能在过滤器中引入一些非标准的共振。

此外，在真实的排气系统中，在排气流和声学之间存在相互作用（这里是研究无流动情况），并且温度高于20℃（如本文所使用的）。

其他物理效应包括与排气管系统的声学结构和孔隙弹性结构相互作用。

本简化模型能够将声学问题与其他物理现象隔离。

图3描绘了在20Hz和2kHz下的颗粒过滤器模型内的压力分布。

图3：颗粒过滤器内的压力分布，f = 20 Hz （顶部）和f = 2 kHz （底部）。