基于Fluent的FSAE赛车消声器的优化设计

2014-07-20师忠秀赵江华

机械工程与自动化 2014年4期

于渊，师忠秀，柳威，赵江华

（青岛大学机电工程学院，山东青岛 266071）

0 引言

汽车的主要噪声来自于发动机，而排气噪声是发动机噪声的主要组成部分，安装排气消声器是控制排气噪声的有效方法。消声器在降低噪声的同时，会增加排气阻力，进而影响发动机的动力性能和经济性能，因此，对排气消声器内部气流的流动特性进行研究就显得十分重要［1，2］。本文采用CFD软件Fluent对消声器仿真模型进行模拟分析，就排气消声器内部流场变化情况对其压力损失的影响进行研究。

1 消声器分析模型的建立

1.1 数学控制方程

消声器中的气流流动是可压、黏性三维湍流流动，满足质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程［3－5］。

质量守恒方程为：

其中：ρ为密度；t为时间；u，v，w分别为速度矢量U在x，y，z方向的分量。

动量守恒方程为：

其中：p为流体微元体上的压力；τij（i，j＝x，y，z）为因分子黏性作用而产生的作用在微元体表面上的黏性应力τ的分力；Fx，Fy，Fz为微元体上的体力。

能量守恒方程为：

其中：cv为比热容；T为温度；k为流体的传热系数；ST为内热源以及由于摩擦作用使流体机械能转化为热能的部分。

这些物理守恒定律可以用控制方程进行数学描述，其通用变量方程为：

其中：Φ为通用变量；Γ为广义扩散系数；SΦ为广义源项。

1.2 计算模型

在三维CAD软件SolidWorks中建立消声器三维实体模型，如图1 所示，导入到Fluent前处理软件Gambit中进行网格划分，由于消声器内部结构复杂，为提高网格划分效率，本文采用四面体网格划分。计算中采用SIMPLEC算法求解控制方程，应用Realizable湍流模型来进行数值模拟，方程的离散方式采用二阶迎风格式［6］。

1.3 边界条件

（1）将入口设置为速度进口，入口速度根据发动机的排量和转速确定，本赛车使用的是容量为600cm3的四冲程四缸发动机，根据式（5）［7］确定排气消声器入口的气流速度v（m／s）：

其中：Q为排气流量，L／s；D为进气口直径，mm。排气流量Q（L／s）的计算公式如下：

其中：Qi为发动机进气流量，L／s；Tb为发动机进气温度，℃；Ts为发动机排气温度，℃。

发动机进气流量Qi（L／s）的估算公式为：

其中：n为发动机转速，r／min；Vm为发动机总排量，L；φc为充量系数，一般取0.86。

（2）将出口设置为压力出口，出口压力为标准大气压，即101 325Pa。

图1 消声器的三维实体模型

2 消声器内部流场分析

由消声器速度云图（见图2 ）可以看出：气体从进气管进入A腔，气体的主流经过内管1进入C腔，部分气体经过内管1表面的穿孔进入B腔；气体进入C腔后，经过穿孔内管2到达排气管，这就是整个排气过程。由压力云图（见图3 ）可知，气流在经过各腔体的时候都会有压降，但是腔内部的压力变化相对比较小，由此可以看出，造成压力降低的原因是气流在经过内插管的过程中发生摩擦和碰撞，从而使得压力损失；在消声器的出口处由于气流经过直径较小的孔截面会产生一个明显压降。

图2 消声器速度云图

图4 为消声器速度矢量图，图5 为消声器湍动能图。可以看出，当气流由管进入腔体内，流动截面由小变大会导致流速减小。一方面，当气流由进气管进入A腔时，气流流动截面由小变大，气流本身的惯性使其本身不能依照A腔的形状突然扩大，而是逐渐扩大，在A腔的拐角处受到管壁的阻挡，气流反折形成涡旋；另一方面，气流从小截面内管1流出进入大截面C腔，在C腔的拐角处常有漩涡形成，会干扰气流的流动状态。C腔的气流要经过内管2流出，内管上的孔径较小，气流流动的截面由大变小，流束收缩，由于流体的本身惯性，使流体继续收缩，达到缩颈之后又慢慢扩大，充满整个截面。

图3 消声器压力云图

图4 消声器速度矢量云图

图5 消声器湍动能图

在气流经过内管1进入腔B以及腔C的气流要经过内管2流出时，气流经过穿孔管会引起摩擦，此过程伴随着能量消耗，增加了流体湍动和压力损失；在涡流区中，流体的不规则旋转、回流，对主流运动产生阻碍作用，在运动的过程中涡旋会消耗主气流的能量，导致压力和能量的减少，增加消声器的压力损失。

3 消声器内部结构优化改进

由速度矢量图和湍动能图可知，气流在A腔、C腔和内管1内有涡流存在，内管1的涡流会扰乱A腔和C腔之间的气流传递流动，涡流的存在不仅使局部压力损失增大，对排气背压也非常不利。较强的涡流还会导致再生噪声的生成，涡流产生的再生噪声声功率与气体流速的6次方成正比［8］；当气流速度高到一定程度时，还会产生喷气噪声，其声功率与气体流速的8次方成正比［9］。另外，进口段及出口段的涡流也会产生较大的压力损失，在实际工程中应尽量避免。因此，在消声器设计改型时，应尽量避免这几处涡流的产生，主要是在内管1入口处和进气管出口处进行改进。图6 为改进前、后结构对比。

针对原结构进行改进，将内管1在A腔的伸长部分去掉，在端面导锥角，将进气管内插部分的截面改成斜截面，以此来增加导流效果。对改进后的结构进行流场分析，结果如图7 ～图9所示。

图6 改进前、后结构对比

图7 改进后消声器的压力云图

图8 改进后消声器的速度云图

由图7 ～图9可以看出，改进后消声器各腔的压力分布更加趋于稳定；由于改进结构的作用，内管和腔内气流流动平稳；进口段及出口段的涡流强度减弱，湍动能降低，对主流流动不会造成实质性影响。改进结构有效地消除了涡流产生的可能性，使传递压力的损失减小，从而使发动机的能量消耗降低，符合改进要求。

4 结语

本文基于计算流体力学软件Fluent对排气系统消声器进行了流场的模拟，仔细分析其内部的流场特征，并根据流场的分析云图找到消声器产生涡流和压力损失的部位，分析原因并提出改进方案，从改进后的分析结果看出，改进的结构有效地抑制了消声器内部的涡流形成，减少了发动机排气过程中的压力损失，降低了发动机的能量消耗。