劉保林

摘 要：運用GT-POWER軟件模擬簡單膨脹腔的傳遞損失與三維聲邊界元法的計算結(jié)果相比較證明該方法的可靠性;利用該方法設(shè)計了某型柴油機排氣消聲器，將改型柴油機噪聲降低了3.8dB（A）。

關(guān)鍵詞：GT-POWER;排氣;消聲器;仿真設(shè)計

國內(nèi)外研究表明，排氣噪聲是發(fā)動機的主要噪聲源之一，消聲器是降低發(fā)動機排氣噪聲的重要部件，其性能好壞直接影響發(fā)動機的噪聲大小和功率損耗。本文主要敘述如何運用GT-POWER對的排氣消聲器數(shù)值進(jìn)行仿真設(shè)計。

1 消聲器的主要評價指標(biāo)

（1）傳遞損失：即消聲器進(jìn)口處的入射聲功率級和出口處的透射聲功率級之差。

（2）插入損失：定義為安裝消聲器前后在某固定測點處測得的計數(shù)聲級或總聲壓值之差。由于插入損失便于現(xiàn)場測量，非常實用。在測量未安裝消聲器的排氣噪聲時應(yīng)在排氣管口加裝一段與消聲器等長的空管，以保證在安裝消聲器前后測點不變。

（3）功率損失比： 內(nèi)燃機在標(biāo)定工況下不安裝消聲器時的功率與安裝消聲器時的功率之差和不安裝消聲器時功率的百分比。

2 某型原消聲器結(jié)構(gòu)分析

原消聲器結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用單腔加兩段穿孔管、一塊穿孔隔板結(jié)構(gòu)，容積比為3.2，擴張比為8.3。從結(jié)構(gòu)上分析，原件的設(shè)計存在以下不合理的地方：

（1）容積小，空間利用不足。容積比、擴張比都較小，而消聲量很大程度上取決于這兩個參數(shù)。

（2）采用穿孔管和穿孔板結(jié)構(gòu)：穿孔聲學(xué)元件的降噪量主要與穿孔率、小孔孔徑有關(guān)。穿孔率越小、孔徑越小，消聲量越大。但穿孔率過小、氣流的流動阻力損失則越大，功率損失亦大，經(jīng)濟(jì)性能變差。因此，要提高消聲量必須減小孔徑， 要降低排氣阻力又必須增大通流截面系數(shù)，該消聲器這兩項難以同時滿足，我們認(rèn)為在這種情況下采用小孔噴注結(jié)構(gòu)是不理想的。

3 新消聲器的設(shè)計

傳統(tǒng)的消聲器設(shè)計法存在著不足：實驗周期長，人力物力消耗嚴(yán)重但仍不能取得好的效果，不能適應(yīng)企業(yè)開發(fā)周期最小化的需要。隨著計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機性能仿真技術(shù)也得到了快速發(fā)展并逐漸成熟。GT-POWER就是其中優(yōu)秀的仿真軟件之一，它的使用大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了企業(yè)的競爭力。

GT—POWER所應(yīng)用的是一維流體假設(shè)的動力學(xué)模型，它綜合了發(fā)動機性能的分析代碼，并幾乎包含了發(fā)動機所有關(guān)鍵工況的細(xì)節(jié)模型，可以較完整地模擬發(fā)動機不同工況的性能變化。整個系統(tǒng)被劃分為許多小的控制單元體，單元體上又劃分成許多相互交錯的網(wǎng)格。也就是說所有的標(biāo)量都以單元體的中心為計算標(biāo)準(zhǔn)，而所有的向量皆以單元體的邊緣為計算標(biāo)準(zhǔn)。形狀各異的氣體通道皆可轉(zhuǎn)化為功能相當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)管件，最后形成發(fā)動機的管網(wǎng)化的模型，對發(fā)動機進(jìn)行仿真。

消聲器內(nèi)部穿孔管的存在使消聲器管網(wǎng)化具有相當(dāng)大的難度和復(fù)雜性，不過GT—POWER擁有專門的消聲器設(shè)計系統(tǒng)，使復(fù)雜問題簡單化。GT—POWER擁有用于設(shè)計消聲器殼體外形的二維圖，可以對消聲器的前端及后端流通平面的形狀進(jìn)行設(shè)計，在消聲器殼體中填充管子和其他部件生成完整的消聲器。

設(shè)計步驟如下：

3.1 前處理建模

GTPOWER提供了一個包含消聲器零件庫的二維繪圖區(qū)（如圖2），零件庫包括：隔板、消聲器殼體、直管、彎管、穿孔管、穿孔板等，使消聲器的制作十分的便捷。設(shè)計者可以根據(jù)兩個視角，方便地按工程圖的方式填充零件。繪制完二維圖后可以把模型直接轉(zhuǎn)化為三維圖（圖3），并可以用方向鍵對三維圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等操作，由于殼體是透明的，設(shè)計者可以清晰地比較是不是自己所希望的內(nèi)部布置，并可回到二維加以改正。

3.2 生成網(wǎng)管模型

把設(shè)計的二維消聲器模型網(wǎng)管化，設(shè)計完二維模型后，將其轉(zhuǎn)化為*.dat件并在GT—ISE中導(dǎo)人便可生成連通的網(wǎng)管，這就是GT— POWER所需要的網(wǎng)管模型。在GT—ISE中添加聲源和傳遞損失的測試系統(tǒng)，設(shè)置好計算參數(shù)后，軟件便可運行，計算所設(shè)計消聲器的傳遞損失。

3.3 后處理

GT的后處理模塊GT-POST有很強的后處理功能，可以調(diào)出GT—ISE的計算結(jié)果，方便地對消聲器傳遞損失進(jìn)行寬頻帶的比較，

導(dǎo)出計算結(jié)果等。

4 新型消聲器的設(shè)計方案

根據(jù)不安裝排氣消聲器時的排氣頻譜特性，對不同的消聲元件進(jìn)行組合，同時優(yōu)化尺寸參數(shù)后，利用GT計算不同方案消聲器的傳遞損失，選出仿真結(jié)果最好的兩種方案：甲、乙（如圖4、圖5）。

與原件相比，新方案在結(jié)構(gòu)上主要做了如下改進(jìn)：

（1）擴大容積，增大了容積比和擴張比。對結(jié)構(gòu)形式相同、不同容積的消聲器進(jìn)行的仿真結(jié)果表明，增大容積后消聲效果明顯增大。

（2）增加腔數(shù)，甲采用三腔結(jié)構(gòu)，乙采用兩個腔。理論計算及仿真結(jié)果均表明，多腔結(jié)構(gòu)可以在更寬的頻帶內(nèi)獲得理想的消聲效果。

（3）采用內(nèi)插管，一方面在消聲頻帶內(nèi)增大了消聲量，同時可以在兩個通過頻率中消除一個;另一方面將穿孔管和穿孔板改成內(nèi)插管，消聲器的氣流流動局部阻力損失中減少了氣流穿過小孔造成的阻力損失，而消聲器的沿程阻力損失變化不大，因而消聲器總的氣流流動阻力損失有所下降。

（4）動態(tài)試驗：我們制作了甲乙兩只新的消聲器，進(jìn)行了柴油機的臺架試驗。在同一臺柴油機上分別裝上原消聲器及兩種新消聲器，測試消聲器口的A計權(quán)聲壓級，并記錄發(fā)動機油耗。測試時保證發(fā)動機在標(biāo)定工況下運行，保證油溫水溫一直不變。測試結(jié)果如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)可以得出，甲乙兩種消聲器插入損失大于原消聲器，消聲效果均比原件好的多，但乙的油耗并沒有增加，發(fā)動機功率損失小，因此綜合考慮乙消聲器是更好的選擇。

5 總結(jié)

（1）GT-POWER軟件的仿真結(jié)果與一維平面波的解析結(jié)果吻合度極高，與三維有限元計算結(jié)果符合性良好，因此GT-POWER的計算結(jié)果可信。

（2）利用流體動力學(xué)分析的仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)十分接近，進(jìn)一步驗證了該方法的可靠性。

（3）本文設(shè)計了兩種消聲器，用GT-POWER仿真計算實際噪聲均低于原消聲器，臺架試驗表明新設(shè)計的消聲器具有較好的消聲性能，其中乙消聲器在油耗不增加的基礎(chǔ)上，排氣噪聲降低了3.8dB（A）。

參考文獻(xiàn)：

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