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某微型车排气系统流场数值模拟

作　者: 姚源
导　师: 颜伏伍
学　校: 武汉理工大学
专　业: 动力机械及工程
关键词: 排气系统计算流体动力学消声器背压声功率级
分类号: U464.134.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 88次
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内容摘要

排气系统主要由三效催化器、波纹管、消声器、法兰和联接管道等部件组成,是汽车减排降噪的重要组成部分,同时也影响汽车的行驶动力性和燃油经济性。过去对汽车排气消声器的设计主要基于平面波理论仅考虑声波传播。近年来研究表明排气系统流场也会产生较大的气流噪声,影响系统声学性能。随着各种CFD (Computational Fluid Dynamics计算流体动力学)软件的普及应用,越来越多的企业和机构用三维CFD软件模拟排气系统流场。但当前大多数排气系统CFD分析采用空气近似发动机排气来计算系统流场,这将导致比较大的误差。本文使用模拟所得的发动机排气参数通过Fluent软件仿真计算排气系统三维流场,并同时利用宽频噪声源模型计算其声功率级分布,将声场和流场结合起来进行分析,最后进行相关试验验证。本文首先根据某款发动机结构和性能参数在GT-Power软件中建立四缸汽油发动机模型,分析得到发动机相关指示性能指标和有效性能指标来验证模型的正确性；同时分析3种后消声器设计方案的系统和局部背压值并进行对比。方案1系统背压最大,方案2次之,方案3最小。可以发现,排气消声器内部结构越复杂,背压越大,声能量耗散越多,此时消声器消声性能也越好。从发动机和排气系统相关位置提取发动机排气参数,为进一步进行排气系统CFD分析提供输入条件。然后根据排气系统结构在UG软件中建立排气系统流场三维实体模型,导入Gambit软件中划分有限体积离散网格及设置流体边界,在Fluent软件中进行排气系统CFD分析,得到排气系统的压力、温度、速度、湍动能和声功率级分布,并根据流体力学、传热学和气动声学理论分析其流场。可以发现,在排气系统消声器内部各种小孔出入流、内管管口入流、出口冲击射流等是消声器主要的流动能量耗损区域。这些位置一般涉及到气流过流断面的突扩、突缩以及气流的弯曲转向,产生较强的局部湍流区域,伴随着漩涡对的配对、分离和脱落以及气流扰动等现象,可能引起较大的气流再生噪声。本文综合背压、消声量和防锈蚀性等方面最终选用方案1为最优方案。最后将所设计的3种排气系统方案与发动机匹配进行系统背压测试和尾管噪声测试,验证仿真分析的正确性并为今后仿真分析和消声器优化设计提供参考。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-24
  1.1 课题背景  11
  1.2 发动机噪声  11-13
  1.3 排气噪声  13-15
    1.3.1 排气噪声特性  13
    1.3.2 排气噪声的分类  13-14
    1.3.3 排气噪声控制策略  14-15
  1.4 消声器设计发展现状  15-19
    1.4.1 国外发展历程  15-17
    1.4.2 国内发展历程  17-18
    1.4.3 排气消声器设计要求  18
    1.4.4 消声器评价指标  18-19
  1.5 计算流体力学发展现状  19-22
    1.5.1 计算流体力学数值解法  20-21
    1.5.2 计算流体力学一般步骤  21
    1.5.3 计算流体力学的发展方向  21-22
    1.5.4 计算流体力学在排气系统设计中的应用  22
  1.6 本文研究来源和主要内容  22-24
第2章排气系统流场和气动声学基本理论  24-30
  2.1 流体力学基本理论  24-28
    2.1.1 流体的连续介质假设  24
    2.1.2 流体动力学基本方程  24-25
    2.1.3 均匀流基本方程  25-26
    2.1.4 紊流运动规律  26-28
  2.2 空气动力声学基本理论  28-30
    2.2.1 Lighthill理论  28-29
    2.2.2 Powell涡声方程  29-30
第3章基于GT-Power的某款排气系统性能仿真  30-39
  3.1 GT-Power软件介绍  30
  3.2 发动机主要性能指标  30-31
  3.3 GT-Power发动机仿真模型的建立  31-34
    3.3.1 燃烧模型  31
    3.3.2 发动机内流动模型  31-32
    3.3.3 GT-Power发动机模型的建立  32-34
  3.4 GT-Power分析结果  34-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章基于Fluent的排气系统流场分析  39-62
  4.1 Fluent软件介绍  39
  4.2 排气系统气体流态的确定  39-40
  4.3 CFD计算所用仿真模型  40-42
    4.3.1 湍流模型  40-41
    4.3.2 催化器载体和吸声材料多孔介质模型  41-42
  4.4 排气系统流体离散模型建立  42-43
  4.5 流体分析边界条件  43-44
  4.6 排气系统CFD计算  44-61
    4.6.1 压力分布  44-49
    4.6.2 温度场分布  49-52
    4.6.3 速度和湍动能分布  52-56
    4.6.4 声功率级分布  56-61
  4.7 本章小结  61-62
第5章排气系统试验验证  62-67
  5.1 背压测试  62-63
    5.1.1 试验原理  62
    5.1.2 试验条件和设备  62
    5.1.3 试验结果及结论  62-63
  5.2 尾管噪声测试  63-65
    5.2.1 试验方法  63
    5.2.2 试验条件和设备  63-64
    5.2.3 试验结果及结论  64-65
  5.3 本章小结  65-67
第6章总结和展望  67-69
  6.1 全文总结  67
  6.2 展望  67-69
参考文献  69-72
致谢  72-73
硕士期间发表的论文  73

某微型车排气系统流场数值模拟

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