基于CFD的汽车发动机排气系统噪声分析

2015-11-24柴梦达薛铁龙

北京汽车 2015年2期

关键词：流线涡流排气

柴梦达，薛铁龙

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

基于CFD的汽车发动机排气系统噪声分析

柴梦达，薛铁龙

Chai Mengda，Xue Tielong

（合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009）

为了降低发动机排气系统噪声，首先利用计算流体力学方法，对汽车发动机排气系统模型的内部流场进行三维数值模拟；其次通过计算得到计算域内流场分布，观察打开不同排气歧管入口时消音器及尾管的内部流线图、催化转化器内部气体流动均匀性来研究分析发动机排气歧管噪声的产生原因。最后根据分析结果找出原结构中不合理的部位，并提出2种对发动机排气系统的优化改进方案，以达到减小排气阻力和排气噪声的目的。

计算流体力学；流场；排气系统；流动均匀性；噪声

0 引言

随着我国经济持续快速发展，汽车的保有量迅速增加，汽车行驶速度也越来越快，带来了日益严重的噪声污染。有关文献显示，城市环境噪声70%来源于机动车辆[1]，汽车行驶中所产生的噪声已经成为最主要的交通噪声污染源。较大的汽车噪声会对乘员情绪产生影响，使其容易疲劳，从而减小驾乘乐趣[2]。汽车发动机排气系统的噪声又是汽车噪声中较为主要的一个方面，因此，对汽车发动机排气系统噪声的相关问题进行研究，具有十分重要的现实意义。

针对汽车的噪声污染问题，一些发达国家从20世纪60年代开始对如何减小机动车辆噪声排放展开研究，并制定了许多法规和标准进行控制[3]。我国也在这个领域展开了一些研究和探索，并制定了相关行业标准，有效地推动了汽车降噪工作的展开[4]。

传统的研究方法主要是针对消音器部分，通过试验测定采用不同尺寸、形状消音器时排气系统噪声的大小以确定改进方案。然而这种研究方法具有试验受到现实条件限制和成本较高等缺点，已经无法满足现代研究的需要。近年来，计算流体力学（Computational Fluid Dynam ics，CFD）已经广泛应用于汽车各方面的模拟，也包括对汽车噪声污染的研究，相对于传统研究方法，其具有以下优点：可以代替难以实施的试验、节省研发经费，更加快捷，且准确性也可以得到保证[5]。文献[1]运用 GT-power软件建立发动机系统仿真模型，分析进排气管长度对于发动机充气效率的影响[6]；文献[2]采用GT-power软件对某汽油机进排气口噪声进行了模型计算，得到管口处的声学特性，并进行了该发动机进气口处的噪声试验，以验证进气口噪声模拟计算结果[7]；文献[3]利用三维建模软件UG建立仿真计算所需的几何模型，用Fluent软件对发动机的进排气系统进行三维瞬态数值模拟，得到其内部的压力场、速度场和湍动能场的分布[8]。

文中以CFD为基础，使用流体数值模拟软件STAR-CCM+对某发动机排气系统空气动力学性能进行模拟分析，研究其内部流场结构，重点考察气体流动均匀性，并在分析结果的基础上，提出改进意见，尽可能减小排气系统噪声。

1 数值模拟计算

1.1 模型的建立

仿真模型来自某车型排气系统的三维CAD模型。为了节约计算成本和时间，在确保计算结果正确可靠的前提下，对模型进行了一些简化。由于主要目的是研究排气系统内部噪声的情况，所以忽略一些外部特征，例如弹簧等外凸装置以简单的曲面代替，其他对计算结果有重要影响的部位尽量保留下来。接下来将 CAD模型导入Hypermesh中进行简化并且划分面网格，再将面网格导入Tgrid中划分体网格。模型表面附近生成5层网格以计算附面层的影响，其余区域使用四面体网格，经过处理后的模型如图1所示。

1.2 计算参数和边界条件

1.2.1 计算参数设置

为了提高计算的精确性，仿真计算采用Realizable K-epsilon湍流模型，适用于涉及快速应变、中等涡、局部转捩的复杂剪切流动（如边界层分离、块状分离、涡的后台阶分离、室内通风等），空间离散采用二阶迎风差分格式。迭代方式采用Simple算法，这种算法是计算不可压流场的主要方法[9]。

1.2.2 边界条件设置

为了更好地研究分析发动机排气系统中的流场情况，将排气歧管的4个入口进行编号1、2、3、4，每次只打开其中1个入口而关闭其他3个入口，进行4次模拟，如图2所示。

实验测得计算域入口质量流量为 0.090 1 kg/s，观察不同入口的气流影响。每次模拟的边界条件如表1所示。

表1 边界条件

1.3 排气系统噪声分析

发动机排气系统内部流场情况复杂，单从一个方面考虑难以全面地了解其内部噪声情况，文中主要通过催化转化器内部流动均匀性分析、消音器及尾管流动噪声来进行考虑。

1.3.1 流动均匀性分析

气体流动均匀性是指气体的物理特性在空间各点的测量结果相同的程度。在发动机排气系统中，气体流动均匀性越差，流动越不稳定，越容易产生湍流，相对地噪声也就越大。利用STAR-CCM+软件可以得到发动机排气系统中的流场流动均匀性，从而来评价发动机排气系统噪声。发动机排气系统内气体流动均匀性和噪声紧密相关，要研究各种因素对流动均匀性的影响，必须对流动均匀性给出合理的评判标准，以便找出改善载体流动特性的有效办法。Wendland和Matthes[10]曾用不均匀性指数研究了载体的流动问题，定义不均匀性指数

其中，wpeak、wmean分别为截面最大速度和平均速度。这种定义的好处是简单方便，但是只反映了极值点的流动均匀性，文中采用 Weltens[11]等人定义的气体流动均匀性

其中，wi为节点单元的速度；wmean为平均速度。

n为指定面上的节点单元数目。显然，这里用均方差定义的均匀性指数能够更加合理、全面地反映整个载体截面的流动分布特性。

在前级催化转化器中间面取一个截面，通过观察该截面上的流动均匀性来评估前级载体流动均匀性，在后级催化转化器中间面取一个截面，通过观察该截面上的流动均匀性来评估后级载体流动均匀性。当流动均匀性值较小时，认为其流动均匀性比较差，产生较大的噪声；当流动均匀性值较大时，认为其流动均匀性较好，该部位噪声较小,通过仿真得到的载体流动均匀性如图3。

由图 3中可以看出，前级载体的流动均匀性为0.96，而后级载体流动均匀性为0.89。相对地，在前级部分气流流动比较均匀，不容易产生涡流，从而前级产生的噪声也相对较小，后级流动均匀性较差，流动相对不均匀，气流在这个部分容易产生涡流，相对地噪声也较大。

1.3.2 内部流线图分析

分析其流动均匀性只能定性地评估排气系统的噪声情况。在STAR-CCM+绘制出气体流线图，可以通过流线图来具体观察排气系统内气流运动情况，这种方式较为直观，分别打开 4个入口中的1个而关闭其他3个，通过气体流线图来分析消音器及尾管流动噪声。

将4个排气歧管分别编号，当只打开入口1，关闭其他3个入口时，得到如图4所示的内部流线图。

从图4可以看出，歧管入口1排出的废气在排气管中内部流线整体上较为通畅；尾管流线通顺，没有旋流产生；后级催化转化器进口锥内部有涡流产生，造成局部流动阻力增加。

当只打开入口2，关闭其他3个入口时，得到如图5所示的内部流线图。

从图5中可以看出，歧管入口2排出的废气在排气管内部流线整体上较为通畅；尾管流线通顺，没有旋流产生。

图 6显示，后级催化转化器进口锥内部有涡流产生，造成局部流动阻力增加；歧管内产生紊乱的涡流，造成歧管流动阻力增加。

当只打开入口3，关闭其他3个入口时，得到如图7所示的内部流线图。

从图7中可以看出，歧管入口3排出的废气在排气管内部流线整体上较为通畅；尾管流线通顺，没有旋流产生；而后级催化转化器进口锥内部有涡流产生，造成局部流动阻力增加；图中圆圈处折转角较为急剧，增加流动阻力；歧管内产生紊乱的涡流，造成歧管流动阻力增加。

当只打开入口4，关闭其他3个入口时，得到如图8所示的内部流线图。

从图8中可以看出，歧管入口4排出的废气在排气管内部流线整体上较为通畅；尾管流线通顺，没有旋流产生；而后级催化转化器进口锥内部有涡流产生，造成局部流动阻力增加；歧管内产生紊乱的涡流，造成歧管流动阻力增加。

在气流流动较为通顺的区域，没有旋流产生，相对噪声较小，而在产生紊乱涡流的区域，由于流动阻力的增加，也会相应产生流动噪声。

1.3.3 总结

通过对流体流动均匀性和内部流线图的分析可以看出：前级催化转化器的流动均匀性平均值为 0.96，流动均匀性良好，后级催化转化器流动均匀性平均值为0.89，相比前级会产生较大噪声；歧管以及后级催化转化器进口锥有涡流产生，会造成局部流通阻力增加；后级催化转化器载体内高速区域低于指标，表明载体有效利用面积略少。