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基于声-流-热多物理场耦合的汽车排气消声器结构分析

万永晟  
【摘要】:排气消声器是汽车的重要构件,对汽车动力性能、经济性能和排放性能有着关键性的影响。其性能决定汽车发动机的工作效率和使用寿命,并对环境污染和噪声污染有直接影响。为了响应国家“十三五”节能减排这一重大工作方案,改进和优化汽车排气消声器,使噪声、背压和污染降到最低,是当今汽车领域研究的重要课题。因此进行汽车排气消声器性能分析有着重要的实际意义。本文所研究的消声器是某汽车排气消声器,其设计基于标准汽车消声器模型,利用到两种消声机理:腔体的扩张式消声,以及声波通过微穿孔板内的流动阻抗损耗生热而消声。本文主要工作如下:本文应用COMSOL软件来模拟气流对汽车排气消声器声学性能的影响。首先利用亥姆霍兹共振腔实验验证声流耦合仿真方法的正确性,然后创建汽车排气消声器物理模型,进而应用声流耦合方法对排气消声器模型进行声场和流场的耦合仿真。结果表明,在有些频段气流使消声器消声性能变差,有些频段却变好,特别在传递损失出现波峰的频率,甚至出现波峰偏移现象。基于声流耦合的仿真方法对排气消声器不同结构参数进行仿真分析,发现扩张室数量、扩张室大小、内插管直径和长度对消声器内部背景流场都有一定程度的影响,进而影响消声器的消声能力。汽车发动机排出的尾气是高温气流,温度对气体的属性有很大影响,温度升高会导致气体密度下降,气体黏性系数增高,进而影响消声器内部背景流场的属性。故本文利用三维仿真方法实现了声-流-热三场的耦合计算分析。得到的结果显示,温度通过对流场和声场的作用影响了消声器的性能。同样基于声-流-热耦合的仿真方法对排气消声器不同结构参数进行仿真分析,结果显示,在只考虑结构对消声器性能的影响规律时,温度对流场速度的影响较小,可以忽略,但温度对消声器的声学性能有较大改变,故要重点研究消声器声学性能时,温度是必须考虑的因素之一。本文基于多物理场耦合的计算方法对排气消声器进行仿真分析,并分析不同结构参数下的消声器性能,对排气消声器的流场和声场进行评估,可以大大缩短排气消声器的设计周期,为企业提供方法和技术上的借鉴,节约研发成本。


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