基于Ansys CFX的消声器内部流场模拟分析

刘全美　王杰　莫寿存　陈萌

摘 要：汽车尾气在消声器中流动是属于流体流动的问题，有效分析汽车尾气在复合式消声器内部的流动情况，有利于对消声器的性能进行评价。为了设计高效的汽车消声器，该文利用Ansys CFX模拟计算消声器内部流场，消声器的进气端压力较高，所以造成其压力损失较高，使得能量损失增加，空气动力性能有所下降，但仍然在合理的范围内。

关键词：Ansys CFX模拟计算 消声器 模拟分析

中图分类号：TH3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）05（a）-0100-02

汽车尾气在消声器中流动是属于流体流动的问题，有效分析汽车尾气在复合式消声器内部的流动情况，有利于对消声器的性能进行评价。故该文利用Ansys CFX软件对消声器内部流场进行了模拟分析。

1 仿真目的与过程

（1）发动机在日常使用中，衡量消声器在空气中动力性的唯一一个指标就是通过监测发动机的功率损失，但是，在实际的工作状态下，仿真分析不能够模拟排气系统的工作，所以通过消声器的压力损失来衡量[1]。

（2）仿真过程。

①物理模型的建立。

②在ICEM CFD中划分网格。

③在CFX-Pre中设置求解条件。

④在CFX-Solver中求解。

⑤在CFX-post中查看仿真结果。

2 消声器物理模型的建立

在Catia中建立复合式消声器的物理模型，由于只需模拟消声器内部的流场，其外部结构对内部流场无影响，所以将消声器壳体进行合理简化，三维模型建立好之后将文件保存为stp格式，再导入网格划分软件ICEM CFD进行网格的划分。

2.1 消声器网格模型的生成

为了进行消声器流场的仿真模拟，该文采用四面体网格和六面体网格相结合的混合网格模型进行划分，并且在边界采用三棱柱边界层网格，这样可以达到精度要求，同时减少计算量，提高计算的速度。消声器划分好的网格总数为1 694 320，复合式消声器划分好的网格总数为1 734 420。

2.2 利用CFX求解

首先将划分好的网格模型导入CFX-pre中设置求解条件，我们可以认为在消声器的内部，流体流动是均匀并且连续的，该文将速度入口作为入口边界条件，同时将压力出口作为出口的边界条件。具体的求解过程如下所示。

（1）排气消声器的数值仿真分析流体材料：排气在消声器内的气体温度一般为200 ℃。

（2）湍流模型：为了求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，该文中选用标准的模型，即经过经验验证的k-ε模型。

（3）壁面边界条件非振动：没有滑移的，这相当于流体在壁面上的速度为0。一般气体在消声器中的流速在20～60 m/s[2]，在该文的研究中入口速度边界条件为40 m/s，进气温度为150 ℃，出口绝对压强为标准大气压，即相对压强为0 Pa。

3 仿真结果分析

该文对消声器进行了流场仿真分析，可以清晰地观察出消声器的温度、速度和压力流场分布图，并计算出其压力损失，从而更好地评价其空气动力特性。

3.1 温度场

温度不仅能够改变消声器内部的流体属性，还可以改变其中声音的传播速度，能够影响各个特征的消声单元对主要频段的噪声降低、消声器进出气管和壁面的温度场分布。随着消声器内部气流流动方向，内部温度有一定的变化，由于消声器壁面散热，因此随着气流的方向温度减小；高温气流从气缸直接进入进气管，进气管入口温度423 K；腔体内部由于等离子体和直通管上穿孔结构的存在使得腔体局部的温度有所升高；排气口温度大约为370 K，其进出口温度差为53 K；消声器内部各腔温度分布有一定的变化，若在进行声学性能分析时采用相同的温度进行分析，势必会无法准确得到消声器声学性能，因此准确的温度分布为准确分析消声器性能打下了基础。

3.2 速度场

消聲器内部流体流速对消声器性能的影响主要体现在：第一，流速会影响声音的传播与衰减；第二，流速是消声器内部流体噪声产生的主要原因[3]。流速对声音传播的影响主要有：改变声音传播的波长。当流体速度与声波传播方向相同时，减小了声波的衰减量，使得消声量减小；相反，可以增加消声器的消声量。因此在消声器设计时，为了得到较好的声学性能，会采用一些回流结构使声波传播方向与流速方向相反，但回流、碰撞容易引起湍流，湍流是流体再生噪声产生的主要原因，也会增大消声器的动能损失，影响其空气动力性能。因此在设计消声器时要综合权衡这些因素。消声器进气管流入的气流只有小部分通过进气管位于第一腔内的小孔直接流入第一腔，大部分气流会流到第二腔和第三腔。之后又有气流通过缓冲管流入消声器的第一腔。正是由于这些漩涡和气体的回流，使得抗式消声器发挥其作用，从而降低了噪声量。发动机将进气流速达到40 m/s排气通过右侧的进气管进入到气速，流体在流动的过程中，会依次通过一、二、三腔，第一腔由于进入的流体比较少，所以流速也比较低；进入第二腔的流体由于流速的梯度变化很大，所以流速加快，流体通过撞击隔板形成回流。在流体通过前两腔，一部分气流会进入到腔体的里面，由于穿孔率很小，使小孔的周围集中了很多的气流，增加了流速。消声器的进口和出口的管径大小相同，所以进出口的流速也是相同的。

3.3 压力场

在发动机整机上，排气消声器的功率损失是衡量复杂排气消声器空气动力性能的主要指标，然而在消声器仿真分析中，常常是通过压力损失评价这一性能指标。消声器压力损失主要由局部压力损失与沿程摩擦压力损失组成，同时消声器内部压力的大小还与流体中的湍流等因素有关，因为湍流通常发生在流体旋转、回流、碰撞处，这些都是造成压力损失的原因。在直通管中，沿着流体流动的方向，压力不断减小，这主要是由于沿程摩擦损失引起的；在各个腔之间压力变化较大，主要是由于局部压力损失引起的。消声器进气端压力约为1 870 Pa，出气端压力约为162 Pa。从消声器整体分析压力损失，由于消声器结构多采用共振腔、直通管，而避免使用扩张等形式的消声单元，因此压力损失较小为1 870-162=1 708 Pa。

4 结语

该文对消声器进行了建模与网格划分，并利用Ansys CFX对消声器内部的空气流动情况进行了模拟仿真。对比分析其结果可得知，消声器的进气端压力较高，所以造成其压力损失较高，使得能量损失增加，空气动力性能有所下降，但仍然在合理的范围内。

参考文献

[1] 赵世举.排气消声器压力损失仿真与试验研究[D].重庆大学，2010.

[2] 李以农，路明，郑蕾，等.汽车排气消声器内部流场及温度场的数值计[J].重庆大学学报：自然科学版，2008，31（10）：1094-1097.

[3] A. Selamet，N.S. Dickey，P.M. Radavich，et al.Theoretical Computational and Experimental Investigation of Helmholtz Resonators：One-Dimensional Versus Multi Dimensional Approach[R].International Congress and Exposition，1994.