一種新型排氣凈化消聲器的內部流場分析

1、一種新型排氣凈化消聲器的內部流場分析一種新型排氣凈化消聲器的內部流場分析前言消聲器是降低柴油機排氣噪聲最主要的消聲降噪裝置，已經廣泛應用到發(fā)動機領域。但是隨著排放法規(guī)的逐漸嚴格，又對船舶柴油機排放物提出了嚴格的限制措施。鑒于船上空間利用率極高，沒有足夠的空間安裝尾氣處理裝置；因此，本文設計了一種內置低溫等離子體的消聲器，在進展降噪的同時又可以凈化柴油機排氣中的氮氧化物顆粒物等有害成分?？紤]到柴油機的排氣背壓對柴油機的性能有很大的影響，所以，應著重研究消聲器的空氣動力性，考察其是否滿足柴油機背壓的要求。然后優(yōu)化構造設計，使其到達最優(yōu)性能。評價消聲器空氣動力性的指標主要有插入損失和傳遞損失，傳遞損

2、失主要反響消聲器本身的構造性能，所以傳遞損失是主要的研究對象。計算消聲器的傳遞損失主要分為時域法和頻域法；但是時域法的計算量比擬大，在實際的計算中并不常用 。頻域法分為解析法和數(shù)值法，解析法中一維的傳遞矩陣法較為常用，但只能預測中低頻的傳遞損失，而且對于復雜腔體的消聲器，其計算非常復雜，通常不易求解。所以三維數(shù)值法較為常用，分為有限元和邊界元，有限元在計算帶有吸聲材料及穿孔管的傳遞損失有較大優(yōu)勢，而邊界元在處理帶有吸聲材料的消聲器比擬困難。本文在詳細研究根本消聲器的消聲規(guī)律和空氣動力特性根底上，應用計算流體力學軟件Fluent建立了流場的有限元模型，通過仿真計算得出消聲器的傳遞損失，分析消聲器

3、內部流速、聲壓分布情況，并且根據結果分析了排氣系統(tǒng)的空氣動力性能1。為實際工程應用提供參考和根據。1 理論模型1.1 根本假設1假設介質為理想流體，流體無黏性，聲波在介質中傳播沒有能量損耗。2假設介質在是靜態(tài)的，且介質是均勻的。3假設聲波的傳播是絕熱過程，即介質與相鄰鄰的部分如殼體不會產生熱交換。4假設聲波在介質中傳播是小振幅傳播，介質中聲場的參數(shù)都是一階變量，可以用線性波動方程來求解。 采用三維建模軟件UG建立凈化消聲器的物理模型。圖1a，b為此消聲器構造示意圖， 此消聲器采用進出口中心線不在同一直線上，低溫等離子體內置在消聲器的前端。 2 空氣動力性分析2.1 速度場分布消聲器中排氣速度對

4、消聲性能的影響主要表達在以下兩個方面：氣流速度的方向和大小影響氣流中聲波的傳播，進一步影響聲波在消聲器中傳播時的衰減規(guī)律；另一方面氣流本身的湍流運動產生渦流噪聲和固體構件的受迫振動要產生的噪聲，統(tǒng)稱為氣流再生噪聲。2圖2a，b為兩種不同構造下消聲器入口流速v = 40m/s時的速度矢量云圖。由圖可以看出： 氣流由消聲器入口經低溫等離子盤邊緣從第一腔進入第二腔，由出口管流出， 進入第一腔，由于擴張管的作用，速度降低，流入第二腔后，由于流體的充分擴流，速度進一步降低，再出口處又有明顯增大的趨勢。整體速度分布比擬均勻。2.2 壓力場分布消聲器的壓力損失主要包括消聲器內通道拐角、截面突變等部分構造變化

5、導致氣流流動狀態(tài)改變所產生的部分壓力損失和消聲器內通道壁面與氣流摩擦所產生的摩擦壓力損失。 而部分壓力損失占主要地位。3從圖3中可以看到，未設導流裝置的消聲器，氣體從進氣口進入后，在第一個低溫等離子盤處產生較大壓力，到達最大值，氣體在此處產生較大渦流，一定程度上增加生成再生噪聲的可能性，存在較大的壓力損失，嚴重影響柴油機的效率。相對于消聲器的前半部分，由于后半部分有較大的擴流空間，所以壓力分布比擬均勻。裝設導流裝置的消聲器，很明顯看到氣體在進入消聲器后，在導流裝置的作用下順利流入消聲器的后半部分，壓力損失明顯減小。因此，導流裝置能降低消聲器的壓力損失，不會對柴油機的性能產生較大影響。2.3 壓

6、力損失當氣流經過消聲器內部時，由于沿程摩擦阻力阻力損失和截面變化時部分阻力損失的存在，在出口端會存在一定的壓力損失。對于簡單的擴張消聲器來說，部分阻力損失為主要部分，遠大于摩擦阻力損失，而在進展理論計算時，只考慮部分損失。部分損失計算公式：F：BSV科博232114.TIF 有以上公式計算兩種消聲器在入口速度為20m/s、30 m/s、40 m/s、50 m/s、60 m/s時的阻力損失，如表1所示：把消聲器網格模型導入到Fluent中，進展消聲器的流場仿真。根據消聲器的工況對邊界條件進展設置。入口速度依次為20m/s、30 m/s、40 m/s、50 m/s、60 m/s；出口設置為0壓力邊

7、界條件；壁面采用無滑移速度壁面，采用標準的壁面函數(shù)計算網格上的物理量。為了進步計算精度，擴散項采用中心差分格式離散，對流項采用二階迎風格式離散，選用Simplec算法求解控制方程，考慮流體粘性的影響。計算得到的壓力損失理論值和仿真值如圖4所示。從圖中可知，仿真值略大于計算值，且大致與速度的平方成正比。當流速較高時消聲器內部為充分開展的湍流，其阻力已進入湍流阻力的二次方區(qū)域。在不考慮壁面摩擦造成的摩擦損失的情況下，管道截面的突變是造成壓力損失的主要原因。另一方面，消聲器的壓力損失與湍流也有一定關系。隨著流速的逐漸增大，由管口射流產生的渦流和回流也逐漸增強。而渦流的存在又阻礙了氣流的流動，造成壓力損失的進一步增大。造成經歷公式計算的阻力損失與仿真值有一定誤差的原因是，經歷公式是基于管道充分開展的根本假設，即流體從窄的管道流入到擴張管時充分開展，但是由于消聲器長度的限制以及流體粘度的影響，流體沒有充分的擴流。由圖4可知，理論值與仿真值相差不大，所以用fluent計算消聲器的壓力損失有較高的準確性。而且未設導流裝置的消聲器壓力損失明顯大于設有導流裝置的消聲器的壓力損失。利用數(shù)值仿真給工程設計帶來方便。3 結論通過建立不同構造的消聲器有限元模型，運用Flue