抗性消聲器壓力損失的g-power計(jì)算

抗性消聲器壓力損失的g-power計(jì)算

壓力損失的計(jì)算方法消聲器是減少電機(jī)噪聲的有效措施。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)考慮聲音性能和空氣動(dòng)力學(xué)性能的要求。為了在較寬的頻帶范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果,消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜,從而增大了排氣系統(tǒng)的背壓,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、增加了燃油消耗率?？梢?研究消聲器結(jié)構(gòu)形式對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響具有重要意義。消聲器的空氣動(dòng)力學(xué)性能研究已引起人們的重視。文獻(xiàn)運(yùn)用流體力學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)的有關(guān)理論,推導(dǎo)了柴油機(jī)凈化消聲器壓力損失的計(jì)算公式,并將計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。文獻(xiàn)使用FIRE軟件模擬研究了帶有插入管和穿孔管的兩腔消聲器內(nèi)部流場及溫度場,分析了消聲器內(nèi)部氣流速度、溫度變化對消聲器性能的影響。文獻(xiàn)針對某款車用消聲器,利用FLUENT軟件建立了三維模型,采用并行計(jì)算技術(shù)對該模型內(nèi)部流場進(jìn)行模擬,計(jì)算結(jié)果可以清楚地反映腔內(nèi)孔噴射和渦流等流動(dòng)現(xiàn)象,得到了進(jìn)口流速和背壓的關(guān)系。然而,這些模擬計(jì)算只是考慮在某一工況下單個(gè)消聲器的壓力損失,沒有考慮在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作條件下消聲器對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。文獻(xiàn)在一臺Ford3.0LV6汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)臺上,研究了在全負(fù)荷狀態(tài)、轉(zhuǎn)速變化范圍1000～5000r/min的車用排氣系統(tǒng)(包括三元催化器、共振器和消聲器)的聲衰減性能和流動(dòng)性能。文獻(xiàn)使用GT-POWER軟件建立了發(fā)動(dòng)機(jī)模型,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,然后建立了發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)的耦合模型,研究了消聲器產(chǎn)生壓力損失的主要原因和各種消聲器結(jié)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。然而壓力損失的數(shù)據(jù)僅限于GT-POWER軟件的模擬結(jié)果,未與其它軟件的計(jì)算結(jié)果或?qū)嶒?yàn)結(jié)果比較。文中使用GT-POWER軟件計(jì)算3種抗性消聲器的壓力損失,并與FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,用以驗(yàn)證對GT-POWER軟件中某些默認(rèn)參數(shù)修正的準(zhǔn)確性;建立發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)的耦合模型,研究排氣消聲器對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。1u3000創(chuàng)建消聲器模型GT-POWER軟件是基于非線性一維流體動(dòng)力學(xué)模型,采用有限體積法計(jì)算流體的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程(或焓方程)組成的耦合方程組。在計(jì)算過程中,軟件將整個(gè)模型的壓力損失分布在各個(gè)模塊中計(jì)算,最后將所有模塊的計(jì)算結(jié)果累加在一起。在每一個(gè)模塊的計(jì)算過程中,壓力損失又分為摩擦阻力損失、管道模塊的局部阻力損失和流動(dòng)系統(tǒng)的局部阻力損失。使用圖形化前處理程序GT-Muffler建立消聲器的模型,生成一個(gè)鏈接數(shù)據(jù)文件*.dat,在GT-ISE程序中打開數(shù)據(jù)文件*.dat,對消聲器模型進(jìn)行離散化處理;添加模擬消聲器入口和出口環(huán)境的模塊,并將這些模塊按氣體流動(dòng)的方向依次連接,完成仿真模型的創(chuàng)建。在消聲器模型的進(jìn)口使用“EndFlowInlet”模塊,通過改變模塊中氣流的流速、溫度和氣體成分等參數(shù)模擬實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)工況;在消聲器模型的出口使用“EndEnvironment”模塊模擬大氣環(huán)境。由于GT-POWER軟件采用一維有限體積法求解流體的流動(dòng)方程,無法像三維CFD軟件那樣準(zhǔn)確模擬消聲器內(nèi)的流體流動(dòng)、孔噴射或旋渦等現(xiàn)象。而且GT-Muffler建立的消聲器模型在GT-ISE程序中自動(dòng)離散時(shí),對于孔的流量系數(shù)、端口膨脹直徑或摩擦縮放系數(shù)等參數(shù),軟件自動(dòng)取值不準(zhǔn)確,使得計(jì)算值偏離真實(shí)值,為此需要應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果或三維CFD計(jì)算結(jié)果確定并修正GT-POWER軟件中的某些默認(rèn)參數(shù)。只有在使用GT-POWER軟件可以得到較精確的壓力損失計(jì)算結(jié)果后,才能在該軟件中搭建發(fā)動(dòng)機(jī)和排氣系統(tǒng)的耦合模型,進(jìn)一步考慮消聲器的加入對發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的影響。2計(jì)算結(jié)果和分析2.1配裝結(jié)構(gòu)的數(shù)值結(jié)果為了使用GT-POWER軟件準(zhǔn)確預(yù)測消聲器對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響,首先驗(yàn)證該軟件計(jì)算消聲器空氣動(dòng)力學(xué)性能的精度。通過修正軟件的某些默認(rèn)參數(shù),計(jì)算室溫(20℃)時(shí)簡單膨脹腔消聲器、直通穿孔管消聲器和三通穿孔管消聲器的壓力損失,預(yù)測結(jié)果和FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果吻合較好。由于汽車排氣系統(tǒng)中的廢氣為高溫氣流,高溫氣流流過消聲器時(shí)產(chǎn)生的壓力損失與室溫情況不同。為此,保持與室溫狀態(tài)相同的參數(shù)修正,計(jì)算上述3種消聲器在高溫氣流情況下的壓力損失,并與FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,分析氣流流速的變化對消聲器壓力損失的影響。簡單膨脹腔消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。圖2比較了使用GT-POWER軟件和FLUENT軟件模擬計(jì)算得到的簡單膨脹腔消聲器壓力損失結(jié)果。可以看出,在整個(gè)流速范圍內(nèi),GT-POWER軟件采用默認(rèn)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果偏差很大,而采用修正參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果吻合良好。對于該結(jié)構(gòu),GT-POWER軟件將“OrificeConn”的流量系數(shù)自動(dòng)設(shè)為0.8,“FsplitGeneral”與“OrificeConn”連接端口的膨脹直徑自動(dòng)設(shè)為98mm;根據(jù)用戶手冊中的說明,這些參數(shù)的設(shè)置不合理。根據(jù)FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果對*.gtm模型參數(shù)進(jìn)行修正,將“OrificeConn”的流量系數(shù)修正為0.96,“FsplitGeneral”的膨脹直徑修正為80mm。為了進(jìn)一步降低消聲器的壓力損失或改善內(nèi)燃機(jī)特定頻率的消聲效果,通常在膨脹腔內(nèi)加入穿孔管,形成直通穿孔管消聲器。圖3為直通穿孔管消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸圖,其中穿孔孔徑dh=2.49mm,穿孔率為2%,穿孔管壁厚t=0.9mm。圖4為直通穿孔管消聲器壓力損失的計(jì)算結(jié)果比較。由圖可知,GT-POWER軟件采用默認(rèn)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果,而GT-POWER軟件采用修正參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果吻合良好。對于該結(jié)構(gòu),GT-POWER軟件將摩擦縮放系數(shù)自動(dòng)取值為1,依據(jù)FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果將摩擦縮放系數(shù)修正為0.56。圖5為三通穿孔管消聲器的結(jié)構(gòu)尺寸圖,其中3個(gè)穿孔管的內(nèi)徑均為d=48.9mm,管壁厚度t=0.8mm,穿孔直徑dk=2.34mm,穿孔率為4.5%。圖6為三通穿孔管消聲器壓力損失的計(jì)算結(jié)果比較?？梢?GT-POWER軟件采用默認(rèn)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果,而GT-POWER軟件采用修正參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果吻合較好。對于該結(jié)構(gòu),GT-POWER軟件采用默認(rèn)參數(shù)時(shí)模擬消聲器內(nèi)部由于截面突變和穿孔引起的局部損失偏小,導(dǎo)致壓力損失的計(jì)算結(jié)果偏小。為此,根據(jù)FLUENT軟件的計(jì)算結(jié)果將消聲器殼體與管道的摩擦縮放系數(shù)調(diào)整為2.45,加強(qiáng)穿孔部分壓力降的模擬;3根直管與兩個(gè)端部空腔連接處“OrificeConn”的流量系數(shù)調(diào)整為0.6,加強(qiáng)端部空腔中截面突變引起的局部損失。2.2排氣系統(tǒng)的背壓在獲得較準(zhǔn)確的消聲器壓力損失計(jì)算結(jié)果后,使用經(jīng)過參數(shù)修正的消聲器模型與發(fā)動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行耦合計(jì)算,考察在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況下消聲器的加入對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。首先使用GT-POWER軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真模型,模型的外特性曲線已經(jīng)由廠家通過試驗(yàn)驗(yàn)證,故在此不做過多敘述,建立發(fā)動(dòng)機(jī)和消聲器的耦合模型。經(jīng)過循環(huán)計(jì)算,應(yīng)用GT-POST程序打開結(jié)果文件,在“CaseRlt”文件夾中可以提取排氣總管處排氣總壓數(shù)據(jù)及發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、轉(zhuǎn)矩和油耗率等計(jì)算結(jié)果。通過計(jì)算排氣總管和排氣尾管口的總壓之差得到相應(yīng)的背壓,圖7為安裝3種消聲器后計(jì)算得到的背壓曲線。由前面的分析可知,三通穿孔管消聲器的結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,加入排氣系統(tǒng)后使得排氣總管的背壓最大,安裝簡單膨脹腔消聲器和直通穿孔管消聲器得到的背壓數(shù)值依次減小。隨著轉(zhuǎn)速的增加,排氣總管處的背壓逐漸增大。3種消聲器和發(fā)動(dòng)機(jī)耦合計(jì)算得到的功率、轉(zhuǎn)矩和油耗率見表1。三通穿孔管消聲器的壓力損失最大,排氣系統(tǒng)的背壓也最大,使得發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率最小、油耗率最高;直通穿孔管消聲器的壓力損失最小,排氣系統(tǒng)的背壓升高也最小,從而對發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的影響最小。由表1可知,在某一轉(zhuǎn)速下會(huì)出現(xiàn)三通穿孔管消聲器或簡單膨脹腔消聲器的功率和轉(zhuǎn)矩最大、油耗率最小,這是由于軟件在迭代計(jì)算時(shí)存在數(shù)值計(jì)算誤差,以及排氣系統(tǒng)中壓力波的反射影響發(fā)動(dòng)機(jī)掃氣和燃燒過程所致。3鉆孔管消聲器引起排氣系統(tǒng)壓力損失的原因(1)通過對GT-POWE