汽车排气消声器的性能分析

汽车排气消声器的性能分析

摘要：本文从流体性能、声学性能两个方面对汽车消声器总成的消声性能进行了分析，具有一定的理论价值和实用价值。

关键词：汽车；消声器；消声；分析

1流体性能的分析

1.1消声器模型的建立

（a）前消声器三维几何模型

（b）前消声器三维几何模型

图1消声器三维几何模型

图1是汽车消声器总成Ⅰ的三维模型，前消声器和后消声器之间用弯管连接。发动机燃烧废气经前消声器进入后消声器入口管，少部分气体由入口管小孔进入后消声器第一腔，然后从出口管流出；大部分气体则由后消声器入口管直接进入第二腔，然后经由第一腔隔板进入第一腔后再从出口管流出，后消声器第三腔是吸声材料，一般认为气体是不能通过的，只有声波可以通过。

1.2流体性能分析

流体对声学性能的影响主要体现在以下几个方面：针对阻性消声材料，气流对消声器有声衰减作用；气流速度过高也会产生再生噪声，影响消声器的插入损失；同时，流体除了影响消声器声学性能外，在本身流动过程中也会有一定的压力损失，造成发动机功率下降，所以消声器的流场分析也是消声器研究性能之一。消声器总成Ⅰ的前消声器横截面积较小，结构单元简单，流体流场的温度梯度、压力梯度变化不大，为了提高计算效率，对前消不做流体分析，以后消作为流场研究的重点，研究其温度、流速变化和压力损失。

①后消有限元模型的建立

在进行有限元计算之前，首先要进行模型网格的划分。利用UG建立消声器三维模型，导入Hypermesh进行网格划分。划分网格时，如果划分的过密则会

大大影响求解速度；如果划分过稀，将影响求解精度。因此，为了保证精度和计算速度，在穿孔管处进行网格细化，并且面网格用标准的三角形网格，以提高体网格的质量。图2为消声器总成Ⅰ后消体网格生成图，生成的网格数为90191。

图2后消声器网格图

②后消声器流体分析边界条件的施加

流场计算选用了Gambit和Fluent软件，该软件可以模拟包括流体流动、传热以及一些附加的物理化学反应。它采用的离散方法是基于有限元的有限容积法。

排气系统中气体特性，不需要考虑管壁的结构振动，建模时只建立内腔流体网格。1）流体材料；常温常压下的理想空气来代替排出的废气。声波在800K （500度左右）时的声速为674.96m/s，其中T为绝对温度。消声器内部最高流速为157m/s，小于可压缩和不可压缩气体的经验界限值0.3马赫数(0.3*674.96m/s=202.48m/s)，即可认为在这些工况下，消声器内部气体的流动可以看作是不可压缩的。2）湍流模型；湍流(Turbulence)，也称为紊流，是一种高度复杂的非稳态三维流动，也是一个非线性的复杂过程。本节的流场分析采用了标准的k-ε模型。

3）管壁（wall）为光滑、非渗透性的，管壁没有滑移（没有运动，没有壁面速度），即流体在壁面边界上的速度设为0。参考一般汽车消声的后消性能参数，消声器入口处流速为20m/s，其入口速度大小的设置并不影响流场速度梯度的分布，改进前后在同一个边界条件下进行仿真分析，是具有可对比性的；进气温度为800K，出口处绝对压力为101000Pa，这里加的是相对大气压的参考压力0Pa。

③消声器流场分析

消声器流场计算结果包括消声器的速度、温度和压力分布。下面分别对它们的分布特点进行阐述。

1）温度场分布

图3后消声器温度等值线图

最高温度为入口温度800K，温度较小出现在消声器尾端420K左右，其中在消声器第二腔插入管与隔板正对处，温度梯度较小，整个后消声器的平均温度在620K左右。

2）压力场分布

图4后消压力矢量分布

流场压力在消声器第一腔第二腔变化梯度并不大，主要压力损失是由插入第二腔的插入扩张结构引起，如果能减小插入管的长度，理论上应该能对压力损失有减少作用。在仿真边界下，整个消声器压力算是在400Pa左右，符合一般消声器压力损失的数量级。

3）流场速度分析

由于流场速度影响消声器的再生噪声，通过流体仿真可以做定性的分析，通过对比优化前后的速度，衡量再生噪声是否增加。

图5流速的矢量分布

流速较大的地方在消声器插入管处，其他空间流速都很低，且从入口的最大流速到出口流速，流速的变化并不算大，这也是压力损失较小的原因之一。考虑气体流动和不考虑气体流动时的消声器传递损失变化较小，一般流速对消声特性影响不大，只是使大部分频率上消声量稍有下降，频率特性上基本上没有改变。

2声学性能的分析

由于声学仿真计算的传声损失具有一定的叠加性，可近似看作各腔传声损失的线性叠加，且仿真时有限元模型网格数目大会影响计算的精度，故对前、后消单独进行仿真分析以及结构改进。本节主要从声学角度，分析其消声的频率特性形成原因，以及存在问题。

2.1声学模型的建立

①网格的划分

对消声器整个总成的声学分析采用三维有限元法，声学计算所采用的软件为SYSNOISE，在SYSNOISE中精度是由最大单元控制的，对于有限元或边界元，通常设最大频率时一个波长里至少包含了六个单元，即模型中最大的单元尺寸小于等于波长的六分之一，即

（1-1）

式中，c是声速，fmax是最大计算频率。

由最大单元划分原则可知，频率越大，单元边长越小，单元数越大，耗费的计算资源就越多，所以最高频率应根据需要合理确定。人耳可听的频率范围是20Hz到20000Hz，而人耳敏感的频率范围是1000Hz到8000Hz，又由于发动机的排气噪声主要集中在3200Hz以内，所以选取的计算频率为20Hz~3200Hz，每10Hz为一步长。因为SYSNOISE中没有前处理功能，所以在Hypermesh中对消声器声学模型进行网格划分。考虑到划分网格时，消声器内部穿孔面积会降低，这样会使得其穿孔率减小影响分析结果，故在建模时加大其孔径，以保证有限元模型的穿孔率跟实际保持一致。

②边界条件

由第三章对消声性能影响因素的分析，温度对消声性能的影响是比较大的，尾管效应以及气体流速对消声器消声性能的影响较小，根据流场分析的结果，整个后消声器入口到出口的流速变化不大，故不考虑流速以及尾管效应的影响，只考虑温度对消声器消声性能的影响，图4显示气流通过后消声器时，后消大部分地方气流的温度分布在620K左右，故不对后消声器取温度梯度来分析，直接取后消的平均温度数值为620K来计算。由于前消直接与发动机排气管连接，汽车排气的温度一般在900K到1200K之间，在声学计算时，前消声器也取平均温度数值为1000K。考虑温度影响时，一些物理参数随温度的变化可以根据公式（1-2）来计算。

（1-2）

式中，T为绝对温度，At为温度为t℃时的相应量，A20为20℃时的相应量，n为温度指数。

2.2前消声器的消声性能分析

消声器总成Ⅰ的前消有限元模型如6所示，前消声器的轴向长度为820mm，截面为圆形，直径为65mm，出、入口管（统称为内管）外管同轴，前消出、入口管上均有穿孔，穿孔率为12.35%，穿孔直径为3.5mm。由于网格划分时，有限元模型中，内管穿孔处的圆孔会变成该圆的内接四边形形状，影响其穿孔率，故在建模时，适当增加穿孔孔径，使得其穿孔率保持一致。

图6前消声器有限元模型

图6前消声器的传声损失