基于FLUENT的抗性消声器的流场分析及压力损失研究

邹润，杨欣祺，蔡强，李闯，高沙沙（.中北大学机械与动力学院，太原，0005；.云内动力股份有限公司技术中心，昆明，65000；.长城汽车股份有限公司技术中心，保定，07000）

基于FLUENT的抗性消声器的流场分析及压力损失研究

邹润1，杨欣祺2，蔡强1，李闯1，高沙沙3
（1.中北大学机械与动力学院，太原，030051；2.云内动力股份有限公司技术中心，昆明，650200；3.长城汽车股份有限公司技术中心，保定，071000）

利用FLUENT对某挖掘机消声器的设计制造进行仿真分析，研究了该消声器内部流场的温度、压力、速度的分布，分析了不同的入口速度下压力损失的变化。发现消声器内部流速较均匀，气流速度变化比较缓和，没有变化剧烈的区域。每个扩张腔内气流撞击壁面后有反射，有利于削弱噪声能量，达到消声效果；消声器各扩张腔内部温度变化比较大，第一腔内温度变化最大；消声器各扩张腔内部压力维持不变，压力损失比较大的区域为2个内插管入口处，这说明扩张腔在整个消声器中造成的压力损失是比较小的。随着入口速度增加，消声器的压力损失呈抛物线增大。

抗性消声器 FLUENT 压力损失 流场分析

1　引言

随着我国经济结构的发展壮大，内燃机的使用范围和数量越来越多，与此同时，也给人们带来了严重的噪声污染。液压式挖掘机是一种高能耗的设备，它对整个发动机的能量利用只有20%［1］。虽然消声器能减少一定噪声，但是它也会消耗发动机的许多能量。压力损失是评价消声器空气动力性能的指标，可以用进出口的全压之差得到，它的大小能反映消声器的效率。随着消声器的压力损失增大，发动机的能量就损失越多，且效率更低，这是明显的资源和能源的浪费，这个和全世界倡导的节约资源和低消费是违背的。所以，为了提高能源的利用和抑制浪费，研究消声器的压力损失是一项必须的任务。

近些年，全世界范围内许多研究者已经做了CFD技术的研究工作。J.MMiddelb是最早研究消声器压力损失的［2］。文献［3］利用CFD技术分析、评估了欧Ⅲ排放柴油机整机的压力损失。文献［4］利用CFD技术分析了某挖掘机用柴油机消声器内部的压强分布，对消声器的压力损失进行了预测。徐磊利用SYSNOISE和FLUENT仿真分析了横流穿孔管消声器声学和阻力特性［5］，胡效东利用CFD技术对消声器做了许多研究［4，6］。

本文利用FLUENT软件对文献［4］中某挖掘机用柴油机消声器的内部流场进行了模拟仿真，分析了其温度、压力、速度的分布，并研究了消声器进口速度增大时压力损失的变化情况。FLUENT技术应用在消声器的性能研究上，相比用实验来研究消声器的设计制造，缩短了研究周期和节约了资金。

2　理论模型

消声器内部的流体流动，入口质量流量等于出口质量流量，并且满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

连续方程：

动量方程：

动能方程：

式中，u是速度矢量u在x、y、z方向的分量；ρ是密度；fi是微元体上的体力；P是势能；k是湍动能；ε是耗散率；σk是湍动能k对应的普郎特数。

对消声器的内部流场进行研究，需要在其工作时做如下假设：

（1）消声器固体区和流体区的物理性能参数全为常数；

（2）流体流动是定常流且为湍流；

（3）因流体为气体，忽略重力的影响；

（4）消声器入口流体流速为匀速，且垂直入口端面，无脉冲影响。

在消声器内部，气体流速比较高，故流体域看作是理想的湍流，选择标准k-ε双方程湍流模型进行计算，其控制方程如下：

式中，

Γ——扩散系数；

ρ——气体密度；

v——速度。

根据消声器压力损失的获得方法［7］，分别距离进、出口5mm远处的截面选取9个均匀分布的点进行分析，将此9个点全压平均值作为该截面的平均全压值，进出口两截面的平均全压值就是它们的全压值。图1即是进出口截面的压力测量图，进口截面的全压值减去出口截面的全压值就是消声器的压力损失。下式是压力损失的计算式：

式中，pt1和pt1分别是进、出口的平均全压值。

图1　消声器进出口端全压计算截面

3　抗性消声器流场仿真计算

3.1物理模型的建立及网格划分

某挖掘机消声器主要是采用内插管扩张式结构，有3个扩张腔，扩张室直径为100mm，腔体总长为471mm。利用Pro/E建立该挖掘机消声器的三维流体域模型，图2是该消声器的结构示意图。

ICEM-CFD划分的网格模型与FLUENT软件有很好的接口性能，这会减少模型在转化中数据的丢失，所以采用ICEM-CFD对消声器三维流体域划分网格，见图3。因该消声器内部结构复杂，故流体域采用非结构化网格，网格单元类型选择“Tetra/Mixed”，网格划分方法采用“八叉树”。划分完后进行网格质量检查，网格单元有3 363 682个，得到最小网格质量为0.29＞0.2，如图4所示。网格质量符合FLUENT计算的一般要求，因此网格模型可以进行仿真计算。

图2　消声器进出口端全压计算截面

图3　网格模型

图4　网格质量显示图

3.2流场仿真计算

采用FLUENT进行流场仿真计算，求解器选用三维双精度；因入口流速为60m/s，小于0.3马赫，流体可看作不可压缩气体，故求解方法选择“Segregated/Implicit（非耦合隐式）”算法。流体为“Steady（定常流动）”，启动“Energy能量方程”，设置“标准k-ε湍流模型”。在柴油机排出的废气中含有CO、HC、NOx和SO2等有害气体，其所占浓度分别为CO＜0.2%，HC＜0.1%，NOx＜0.25%，SO2＜0.008%［8］，各种气体的浓度加起来小于0.6%，并且大部分气体的分子量和空气的分子量相差不大，所以此处选择将柴油机排出的废气近似看作空气，空气密度为1.225 kg/m3，黏度为1.789×10-5Pa·S。即消声器内流体选择空气。

消声器边界条件的设置如下：入口为“速度入口”（Velocity-inlet），入口速度为60m/s，入口温度为813 K，湍流强度为10%，水力直径为入口段直径25mm；消声器壁厚为1.5mm，材料为Q235A。出口形式为“自由出流”（outflow），这类边界条件由FLUENT计算得到，不用事先给定。

3.3仿真计算结果分析

3.3.1气流速度场分析

图5　x=0截面的速度云图

图6　x=0截面的速度矢量图

图5表示了入口速度为60m/s时某挖掘机用柴油机的扩张式消声器内部流场速度分布情况，图6是消声器内部速度矢量分布图。从图5中可以看出流场速度分布情况：消声器内部流速较均匀，气流速度变化比较缓和，没有变化剧烈的区域。从图6中可看出，每个腔里都有速度的旋流，这是由于气流撞击壁面后有反射，有利于削弱噪声能量，达到消声效果。由于入口和出口直径相同，故它们的气流速度相同，气流速度最高处在第1个内插管入口段。整个消声器内部流场最高气流速度为90.6m/s，最小为0m/s。

3.3.2消声器内部压力场分析

图7表示了入口速度为60m/s时该柴油机消声器内部流场压力分布情况。从图中可以看出流场压力分布情况：从第1腔到第3腔，压力逐渐减小。消声器各腔内部压力维持不变，没有变化剧烈的区域，即没有压力损失变化很大的区域。消声器整个流体区域最大全压为1.87 kPa，位置位于消声器入口及第1腔部分区域；最小全压为-17.8 kPa，位置位于消声器出口处。压力损失比较大的区域为2个内插管入口处，这说明扩张腔在整个消声器中造成的压力损失是比较小的。

图7　消声器内部流场全压分布云图

3.3.3消声器内部温度场分析

图8　消声器内部温度场分布云图

图8表示了入口速度为60m/s时消声器内部流场温度分布情况。从图中可以看出，消声器各腔内部温度变化比较大，第1腔内温度变化最大。消声器整个流体温度场里，最低温度为410 K，位置位于出气段；最高温度为813 K，位置位于进气缓冲段。

4　入口流速对消声器压力损失的影响

发动机转速处于变化时，活塞的往复运动速度变化使得发动机排气口气体速度变化很明显，变化的流速导致气体动压变化，在气流静压相同的情况下，汽车消声器的压力损失变化较大，所以研究消声器入口流速对它的压力损失的影响显得非常有必要。采用前面使用的相同边界条件和模型，分别分析入口流速为10m/s～100m/s时消声器的压力损失变化情况，计算结果见图9。

图9　不同速度下消声器压力损失变化曲线图

从图9可以看出，消声器入口气体流速越大，总体的压力损失逐渐变大，随着入口流速的增大，该消声器的压力损失大致呈抛物线规律增大。

5　结论

本文利用FLUENT对某挖掘机柴油机消声器的设计制造进行了流场仿真分析，分析了消声器的温度场、压力场、速度场的分布，并得出了不同入口气体流速的压力损失变化关系，有如下结论：

（1）消声器内部流速较均匀，气流速度变化比较缓和，没有剧烈变化的区域。从图5中可看出，每个腔里都有速度的旋流，这是由于气流撞击壁面后有反射，有利于削弱噪声能量，达到消声效果。消声器各扩张腔内部温度变化比较大，第1腔内温度变化最大。

（2）消声器各扩张腔内部压力维持不变，没有剧烈变化的区域，即没有压力损失变化很大的区域。压力损失比较大的区域为2个内插管入口处，这说明扩张腔在整个消声器中造成的压力损失是比较小的。

（3）不同入口气流速度进入消声器，消声器的压力损失是不同的，消声器随着入口流速的增大，压力损失大致呈抛物线规律增大。

［1］郭勇，陈勇，何清华等.从INTERMAT2006看挖掘机电控系统的发展［J］.工程机械，2006，11：40-43.

［2］M iddelberg JM，Barber T J.CFD Analysisof the Acoustic and Meanflow Performance of Simple Expansion ChamberM ufflers［C］//2004 ASME InternationalMechanicalEngineering Congress andExposition（Conference code：64903），Anaheim，CA，United States.USA：ASME，2004：151-156.

［3］李娜，张强.欧Ⅲ排放柴油机缸盖冷却水腔流动与传热的数值解析［J］.内燃机工程，2007，28（1）：51-55.

［4］胡效东，周以齐，方建华等.基于CFD的挖掘机消声器结构优化研究［J］.系统仿真学报，2007，19（13）：3126-3129.

［5］徐磊，刘正士，毕嵘.横流穿孔管消声器声学及阻力特性的数值分析［J］.燕山大学学报，2010（4）.

［6］胡效东，周以齐.单双腔抗性消声器压力损失CFD研究［J］.中国机械工程，2006，17（24）：2567-2572.

［7］GB/T4760-1995，声学消声器测量方法［S］. 1995：256-270.

［8］Gedney SD.An Anisotropic PMLAbsorbing Media for the FDTD Simulation of Fieldsin Lossy and DispersiveMedia［J］.Electromagnetic （S0272-6343），1996，16（4）：399-415.

Analysisof flow field and pressure lossofResistanceMuffler Based on FLUENT

Zou Run1，Yang Xinqi2，CaiQiang1，LiChuang1，Gao Shasha3
（1.North University ofChina，Taiyuan 030051，China；2.TechnicalCenter，YunneiCompany Limited，Kunming650200，China；3.TechnicalCenter，GreatWallMotor Company Limited，Baoding071000，China）

The internal flow field of themuffler the distribution of temperature，pressure and velocity is studied by simulation analysis by FLUENT.Found that the internal flow velocity is relatively uniform，the change of the air velocity is relativelymoderate，no change in the region.Each of the expansion chamber of theair impactof thewallafter the reflection，is conducive toweaken thenoise energy，toachieve theeffectof noise elimination，the internal temperature changes is large in the muffler expansion chamber，the first chamber temperature change themost large，the internal pressure of the expansion chamber is unchanged，the pressure loss relatively large is two internal insertpipe inlet，which shows that the pressure loss caused by the entiremuffler is relatively small.With the increase of the inlet velocity，the pressure loss of the muffler increases.

resistancemuffler，FLUENT，pressure loss，flow field analysis

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.004

来稿日期：2015-10-08

邹润（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为动力机械总体设计及结构动态设计。