基于數(shù)字化分析技術(shù)的進(jìn)氣系統(tǒng)性能研究

廉巨龍，雷一騰，周維

(1.華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧沈陽(yáng) 110141;2.伊犁師范學(xué)院，新疆伊寧 835000)

0 引言

進(jìn)氣系統(tǒng)的主要功用是過(guò)濾空氣中的雜質(zhì)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)吸入清潔的空氣。但是隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，客戶對(duì)汽車(chē)聲品質(zhì)的要求越來(lái)越高，進(jìn)氣口噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲傳播的主要途徑之一，影響乘車(chē)的舒適[1]。因此，進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲性能成為了設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)必須考慮的一個(gè)重要的問(wèn)題。

往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲信號(hào)通常與發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)火頻率的階次有關(guān)。對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)氣口噪聲是由節(jié)氣門(mén)周期性地開(kāi)閉產(chǎn)生的壓力波動(dòng)引起的，主要包括3種成分：進(jìn)氣門(mén)開(kāi)啟時(shí)活塞做變速運(yùn)動(dòng)引起的進(jìn)氣脈動(dòng)噪聲，進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)引起進(jìn)氣管道中產(chǎn)生空氣柱共振噪聲，氣流流經(jīng)進(jìn)氣門(mén)環(huán)隙時(shí)產(chǎn)生的渦流噪聲。

在很多情況下，自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口噪聲是由低頻噪聲引起的，精確的抗性消聲器設(shè)計(jì)可以有效地抑制低頻噪聲產(chǎn)生。LIU等[2]使用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法研究了進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法。吳超群等[3]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)模型邊界條件、采用三維聲學(xué)有限元法進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，提高進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能。進(jìn)氣系統(tǒng)另一個(gè)重要的性能指標(biāo)是進(jìn)氣系統(tǒng)的壓降，在消聲容積一定的情況下，縮小管徑可以有效降低進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲。為了平衡進(jìn)氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能與聲學(xué)性能，作者基于數(shù)字化分析技術(shù)，采用Star CCM+軟件對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分析，通過(guò)HyperMesh軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Virtual.lab軟件建立聲學(xué)有限元模型對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)以提高進(jìn)氣系統(tǒng)對(duì)總聲壓級(jí)的衰減。

1 進(jìn)氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能與聲學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 空濾濾芯的影響及氣動(dòng)性能目標(biāo)

設(shè)計(jì)進(jìn)氣系統(tǒng)時(shí)，先考慮氣動(dòng)性能還是先考慮聲學(xué)性能一直是研發(fā)人員爭(zhēng)論的課題。作者針對(duì)一套全新開(kāi)發(fā)的進(jìn)氣系統(tǒng)，首先考慮氣動(dòng)性能，盡量設(shè)計(jì)較小的管徑，在滿足進(jìn)氣系統(tǒng)壓降目標(biāo)的前提下進(jìn)行聲學(xué)性能的優(yōu)化。

進(jìn)氣系統(tǒng)的氣動(dòng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是進(jìn)氣阻力要求。進(jìn)氣系統(tǒng)管路的設(shè)計(jì)流場(chǎng)分布應(yīng)均勻，避免引起流動(dòng)分離的速度突變；濾芯表面流速分布均勻，這樣可以提高濾芯的使用壽命。

進(jìn)氣系統(tǒng)中的濾芯除了能過(guò)濾空氣中的雜質(zhì)外，本身是一種多孔介質(zhì)，對(duì)流場(chǎng)及聲場(chǎng)的性能均有影響[4]。多孔介質(zhì)中黏性阻力因子和慣性阻力因子對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)空氣動(dòng)力性能影響較大。對(duì)于一款自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，主要考慮中低頻所引起的噪聲，濾芯在聲學(xué)方面主要影響1 000 Hz以上的高頻噪聲，對(duì)1 000 Hz以下的噪聲影響較小，因此濾芯多孔介質(zhì)的因素主要在氣動(dòng)性能仿真中考慮，在聲學(xué)性能仿真中暫不考慮。

1.2 聲學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

進(jìn)氣系統(tǒng)中單個(gè)消聲元件通常是降低某個(gè)頻率或某個(gè)頻率段的噪聲，單個(gè)消聲結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)對(duì)改善整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲性能格外重要。當(dāng)某個(gè)或一些消聲元件連接到進(jìn)氣系統(tǒng)后，對(duì)整個(gè)進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲性能進(jìn)行評(píng)價(jià)非常重要。

對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲性能評(píng)價(jià)主要有3個(gè)指標(biāo)：傳遞損失、插入損失、消聲量。傳遞損失是對(duì)單個(gè)消聲元件的消聲效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；而插入損失是對(duì)整個(gè)消聲系統(tǒng)的評(píng)價(jià)；考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)聲源的影響，對(duì)于消聲量是考慮進(jìn)氣系統(tǒng)或排氣系統(tǒng)的聲學(xué)出口噪聲特性的影響，對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，消聲量的評(píng)價(jià)尤為重要。

消聲量是指系統(tǒng)中任意兩點(diǎn)聲壓級(jí)的差值，用NR來(lái)表示。圖1為消聲量的測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)中的傳聲器點(diǎn)的聲壓級(jí)分別為L(zhǎng)p1、Lp2，那么消聲量

NR=Lp1-Lp2=20log(p1/p2)

(1)

圖1 消聲量測(cè)量系統(tǒng)圖

2 進(jìn)氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能與聲學(xué)性能數(shù)字化仿真

2.1 空氣動(dòng)力學(xué)性能的數(shù)字化仿真

建立幾何模型，利用HyperMesh軟件對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行有限元前處理，提取進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)表面的模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在Star CCM+中進(jìn)行面網(wǎng)格表面重構(gòu)，生成多面體網(wǎng)格。為了模擬進(jìn)氣系統(tǒng)入口、出口處大氣環(huán)境對(duì)節(jié)氣門(mén)體的影響，在入口及出口處添加一段延長(zhǎng)區(qū)域；濾芯按多孔介質(zhì)處理，設(shè)置濾芯特性因子；建立的網(wǎng)格模型中有469 416個(gè)實(shí)體單元，共有1 464 810個(gè)節(jié)點(diǎn)。

對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，模型的邊界條件為：進(jìn)氣口設(shè)置質(zhì)量流入口，出氣口設(shè)置壓力出口。

2.2 聲學(xué)性能的數(shù)字化仿真

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展與數(shù)字化仿真技術(shù)的應(yīng)用，已不再是依靠單個(gè)消聲元件解決進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣噪聲問(wèn)題，而是采用多種類(lèi)消聲元件集成化程度較高的消聲模塊對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行消聲，因此系統(tǒng)聲學(xué)性能的數(shù)字化仿真極為重要[5]。利用Virtual.lab軟件建立進(jìn)氣系統(tǒng)主體內(nèi)聲場(chǎng)的聲學(xué)有限元模型，圖2為進(jìn)氣系統(tǒng)的聲學(xué)有限元模型，其中單元總數(shù)為176 176個(gè)，聲學(xué)節(jié)點(diǎn)為982 048個(gè)。

圖2 進(jìn)氣系統(tǒng)主體的聲學(xué)有限元模型

建模時(shí)，在聲學(xué)入口處施加單位質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度邊界條件，模擬白噪聲激勵(lì)，頻率范圍20～1 000 Hz。在聲學(xué)出口處施加輻射阻抗的邊界條件，進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)出口處可以看作是活塞式聲源，其輻射特性遵循活塞式聲源輻射特性規(guī)律。

通過(guò)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)主體在無(wú)濾芯的情況下進(jìn)行消聲量的計(jì)算，來(lái)評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的消聲能力，可以得到圖3所示的進(jìn)氣系統(tǒng)主體消聲量曲線?？梢钥闯觯合到y(tǒng)插入空濾后，低頻范圍的消聲量得到明顯提升。

圖3 進(jìn)氣系統(tǒng)主體消聲量曲線

3 進(jìn)氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化

在系統(tǒng)優(yōu)化前首先應(yīng)固化進(jìn)氣系統(tǒng)的管道直徑，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)主體流場(chǎng)進(jìn)行綜合評(píng)估后再進(jìn)行聲學(xué)性能的優(yōu)化。通過(guò)數(shù)字化仿真分析技術(shù)對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)主體進(jìn)行進(jìn)氣阻力預(yù)測(cè)，仿真結(jié)果為2.231 kPa，滿足進(jìn)氣系統(tǒng)阻力不大于3 kPa的目標(biāo)要求，并為聲學(xué)設(shè)計(jì)留有余量?；诖?，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.1 試制樣車(chē)整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原始噪聲測(cè)試

如圖4所示，通過(guò)在NVH(Noise Vibration Harshness)半消聲試驗(yàn)室中采用整車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙覆蓋包裹法，用與進(jìn)氣系統(tǒng)等長(zhǎng)度的直管代替進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)原始噪聲測(cè)試。3G WOT(Wide Open Throttle)工況，測(cè)點(diǎn)距離進(jìn)氣口100 mm，45°方向，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)原始噪聲。從圖5可以看出：全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)全階次噪聲超出目標(biāo)線大于20 dB，各階次噪聲均超出目標(biāo)線。

圖4 進(jìn)氣系統(tǒng)基態(tài)測(cè)試圖

圖5 進(jìn)氣系統(tǒng)基態(tài)測(cè)試曲線圖

3.2 聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著汽車(chē)的設(shè)計(jì)走進(jìn)輕量化的時(shí)代，進(jìn)氣系統(tǒng)的輕量化已不再依靠增加零散的消聲器來(lái)解決進(jìn)氣噪聲問(wèn)題，采用消聲器的集成化理念，將設(shè)計(jì)的赫姆霍茲諧振腔及波長(zhǎng)管集成在空濾本體上。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的原始噪聲及進(jìn)氣系統(tǒng)主體的消聲量曲線，進(jìn)行旁支消聲器集成化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)不同轉(zhuǎn)速下、各階次對(duì)應(yīng)的峰值頻率進(jìn)行消聲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該空濾共集成了5個(gè)赫姆霍茲諧振腔、2個(gè)1/4波長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)，空濾內(nèi)集成1個(gè)內(nèi)插管。消聲器的模型見(jiàn)圖6。

通過(guò)Virtual.lab中的Acoustic模塊進(jìn)行有限元分析，得到進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量曲線，如圖7所示?？梢钥闯觯喝D(zhuǎn)速范圍內(nèi)消聲量得到大幅度的提升，達(dá)到了消聲量20 dB以上的要求。

將設(shè)計(jì)方案通過(guò)快速成型方法加工成手工樣件后進(jìn)行調(diào)音測(cè)試，如圖8所示。

圖6 空濾的集成化設(shè)計(jì)方案圖

圖7 進(jìn)氣系統(tǒng)的消聲量曲線

圖8 空濾集成消聲器結(jié)構(gòu)的手工樣件

4 結(jié)果與討論

對(duì)優(yōu)化前后模型進(jìn)行分析，優(yōu)化后的模型及流線圖見(jiàn)圖9，流線圖中流線分布均勻，局部位置產(chǎn)生流動(dòng)分離的現(xiàn)象，臟空氣側(cè)管道內(nèi)流速較大是由整車(chē)空間布置限制所致，設(shè)計(jì)成方形截面。

圖9 優(yōu)化方案流場(chǎng)分析模型及流線圖

用空氣濾清器性能測(cè)試臺(tái)測(cè)量進(jìn)氣系統(tǒng)在最大流量330 kg/h進(jìn)氣量下的進(jìn)氣阻力。進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣阻力仿真分析與臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出：進(jìn)氣系統(tǒng)的進(jìn)氣阻力滿足進(jìn)氣系統(tǒng)的目標(biāo)要求。仿真結(jié)果與臺(tái)架測(cè)試的相對(duì)誤差在允許的范圍內(nèi)。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)和模擬值對(duì)比

在消聲室中測(cè)得的噪聲曲線見(jiàn)圖10，全階次噪聲在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)消聲量降低超過(guò)20 dB，全階次噪聲滿足目標(biāo)要求。

圖10 全階次噪聲曲線

各階次噪聲曲線見(jiàn)圖11，優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)各階次噪聲與基態(tài)相比，在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)消聲性能均有不同程度的提升，滿足噪聲目標(biāo)要求。

圖11 各階次噪聲曲線

優(yōu)化后將系統(tǒng)搭載整車(chē)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，滿足整車(chē)提出的目標(biāo)要求，駕駛室內(nèi)噪聲得到明顯改善。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過(guò)數(shù)字化分析技術(shù)可以對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)的氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)。精細(xì)化、集成化的消聲元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整車(chē)輕量化具有一定貢獻(xiàn)。

(2)優(yōu)化后系統(tǒng)的氣動(dòng)性能和聲學(xué)性能均達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)要求，優(yōu)化后的進(jìn)氣系統(tǒng)總消聲降低超過(guò)20 dB，噪聲性能得到較大程度提升。

參考文獻(xiàn):

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