基于GT-Power和CFD的某發動機消聲器結構優化與分析

梁永勤

摘要：針對某四缸發動機消聲性能在某些工況下不理想的狀況，本文通過在GT-Power中建立發動機及消聲器耦合模型，同時聯合使用CFD仿真，在不增大壓力損失的前提下，對其消聲器進行了優化。通過對消聲器消聲擴張比，擴張腔個數及長度，內插管長度的優化改進，提高了消聲性能。結果表明：優化后的消聲器在260-690Hz范圍內，消聲量平均提高了7dB，全頻率范圍內消聲量減小了4dB，消聲效果明顯。

Abstract： In view of the unsatisfactory performance of the noise reduction performance of a four-cylinder diesel engine under certain working conditions， this paper optimizes its muffler by establishing an engine mode in GT-Power without increasing pressure loss. By optimizing and improving the muffler expansion ratio， number and length of expan-sion cavities， the length of the inner cannula， the muffler performance has been improved. The results show that： in the range of 260-690Hz， the noise reduce 7dB on average， the noise reduction in the full frequency range is 4dB， the effect is obvious.

關鍵詞：消聲器;擴張比;擴張腔;優化

Key words： muffler;expansion ratio;expansion cavity;optimization

中圖分類號：TB535.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0035-03

0? 引言

消聲器作為目前發動機排氣降噪的有效途徑，隨著汽車噪聲法規的日益嚴格，其重要性隨之突出，消聲器設計需要滿足的要求也越來越高。傳統消聲器的設計主要依靠試驗來反復驗證，存在著設計周期長，費用高，且設計時常常把消聲器和發動機性能孤立考慮的缺點[1]。隨著計算機軟件技術的發展和在實際工程技術中應用，發動機仿真技術也在快速發展并日漸成熟。

消聲器性能研究對于設計研究有著重要的現實意義，其性能評價指標主要有：聲學性能和動力學性能[2]。聲學性能評價通常用傳遞損失和插入損失來評價。傳遞損失是指消聲元件入口處的入射聲功率級和出口處的透射聲功率級之差;插入損失是指安裝消聲器前后的聲功率級之差?？諝鈩恿W性能用消聲器的壓力損失來表示，即氣流通過消聲器的進出口端的總壓差[3]。本文分別采用插入損失和壓力損失來評價消聲器的聲學性能和空氣動力學性能。

1? 基于GT-Power的發動機及排氣系統仿真建模

GT-Power目前在汽車發動機CFD仿真中被廣泛應用，其不僅能對發動機進、排氣系統進行噪音分析，還能對進、排氣系統的消聲器進行優化設計[4，5]。本文以某四缸發動機為研究對象，其主要參數如表1所示。GT-Power中建立的發動機模型如圖1所示。

本文主要針對某發動機消聲性能不佳對消聲器進行優化，因此，根據排氣系統實際結構參數進行建模，并將離散化后的消聲器模型與發動機在GT-power進行耦合，耦合后模型如圖2所示。

2? 消聲器結構參數優化

2.1 原消聲器性能分析

發動機原消聲器第一腔室長102mm，第二腔室118mm，第三腔室229mm。其擴張比為21.6。在第二腔室及距出口50mm處套筒中附有吸聲材料，以吸收高頻噪聲。原消聲器模型如圖3所示。

因該發動機主要工作在中低轉速，故選取該發動機在2000rpm時，測試其原模型插入損失，并進一步將原消聲器導入Fluent中，分析其內部流場情況，結果如圖4所示。

由圖4可知，雖然消聲器整體消聲量在23dB以上，但在300-800Hz范圍內的消聲量小，效果不佳。從內部流場可知，消聲器進出口流速較大，中間腔室流速較小，氣流的速度呈現逐漸變小的趨勢，會造成相應的壓力損失。第一、二腔室存在的渦流和回流，也是造成壓力損失的主要原因。

2.2 消聲器性能優化

2.2.1 擴張腔長度

擴張腔的改變，可以使沿管道傳播的部分聲波發生反射并與源聲波干涉相消，達到消聲的目的。其傳遞損失特性主要受擴張比m和擴張腔長度L的影響，首先以擴張比m和擴張腔長度L為變量，分析其對消聲量的影響。擴張腔長度和進氣管直徑參數如表2所示。不同擴張腔長度下的消聲器的傳遞損失曲線如圖5所示。

由圖5可知，改變擴張腔長度和擴張比，消聲器消聲中心位置會隨之移動，消峰值也會有所改變。對發動機原消聲器，當消聲器擴張腔長度為150mm，擴張比為24時，消聲器的消聲量最大。

2.2.2 擴張腔個數

保持消聲器結構參數不變，進一步改變擴張腔個數來驗證擴張腔個數的影響。圖6（a）為氣體由進氣管進入中間的擴張腔，再由內插管進入第二個擴張腔;圖6（b）為消聲器腔體內再增加一個隔板，消聲器內有兩個內插管的三個擴張腔結構。不同擴張腔個數的消聲器的傳遞損失曲線如圖7所示。

由圖7可知，擴張腔個數越多，整體消聲量越好，但消聲頻率有所不同。從傳遞損失可知，兩腔和三腔消聲器的傳遞損失均高于原消聲器，但針對原發動機，其中頻噪聲較高，且兩腔結構對于原消聲器改動最小，故優先選擇擴張腔為兩個。

2.2.3 內插管長度

消聲器進出口內插管長度對于特定通過頻率處消聲量有著不小的影響，本文針對不同的內插管長度進行了研究，內插管長度如表3所示，不同內插管長度下的消聲器的傳遞損失曲線如圖8所示。

由圖8可知，不同的內插管長度，對中高頻的消聲中心位置會有所移動，最大消聲量也有所不同。在600-900Hz范圍內，進、排氣內插管長度都為25mm時，消聲器整體消聲量最大，在其他頻率則相差不大。且由研究表明[6，7]，氣流速度相同時，當增加出氣管的插入長度時，湍流噪聲也會增大，故改進方案優先選擇內插管長度為25/25mm。

3? 優化后消聲器設計方案

由以上分析可知，改變消聲器擴張腔長度和擴張比，改變擴張腔個數及內插管長度均對消聲器最大消聲量有所改變，最終選擇消聲器優化方案與原消聲器結構參數如表4所示，優化后消聲器三維模型如圖9所示，優化后插入損失如圖10所示。優化后消聲器內部流場圖如圖11所示。

由圖10可知，在260-690Hz范圍內，消聲量平均提高了7dB，在整個計算頻率范圍內，消聲器的插入損失提高了4dB，說明優化后消聲器模型的消聲量明顯提高，消聲性能得到了改善。

由圖11可知，優化后消聲器腔體內氣體流動更加平穩。避免了氣體流速產生較大變化和局部氣體流速過高的現象，減小了由于渦流和回流產生的氣流再生噪聲。同時也減小了消聲器的壓力損失，使得柴油機動力性能得到改善。

4? 結論

在不降低壓力損失的基礎上，研究綜合運用CFD方法及在GT-Power中建立發動機及消聲器耦合模型，對消聲器進行了聲學性能分析。根據仿真結果及消聲器的基本設計理論，提出消聲器的優化設計方案，優化后降低了0-1000HZ內的尾管排氣噪聲。采用GT-power軟件建立發動機與排氣系統的耦合模型和使用CFD方法聯合仿真，準確度高，且對消聲器的設計優化起到指導作用，縮短了設計周期，節約設計成本。

參考文獻：

[1]侯獻軍，王天田.基于GT-power的乘用車消聲器設計[J].北京理工大學學報，2010，30（2）：155-158.

[2]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]張國輝.尾氣凈化裝置對柴油機性能和排氣噪聲的影響研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013.

[4]朱義坤.基于GT-POWER的發動機特性與消聲器設計匹配研究[D].重慶：哈重慶理工大學，2009.

[5]劉德輝.基于GT-POWER的490柴油機進排氣系統的數值仿真與優化研究[D].廣州：華南理工大學，2016.

[6]李興虎.柴油機排氣后處理技術[M].北京：國防工業出版社，2016.

[7]C. J. Wu， X. J. Wang， H. B. Tang. Transmission Loss Prediction on a Single-Inlet/Double-Outlet Cylindrical Expansion-chamber Muffler y Using he? Moda Meshing Approach[J].Applied Acoustics， 2008， 69： 173-178.