河南工程学院机械工程系 郭 鹏 马建辉 杜向向

基于ANSYS的汽车排气消声器流场分析*

河南工程学院机械工程系 郭 鹏 马建辉 杜向向

车辆作为人们日常生活中的主要交通工具，其噪声已成为最主要的交通噪声污染源，据统计，70%左右的交通噪声是由车辆引起的。对排气噪声的控制，最简单、有效的方法就是采用排气消声器。一般消声器会对发动机产生两个方面的影响。第一，降低排气噪声；第二，增加排气背压，降低发动机动力性和经济性。消声器的声学性能与排气的流动性目标是一对矛盾。矛盾产生的原因在于消声器的消声性能越好，结构越复杂，流体力学性能越差，发动机因此产生的功率损失就越大。因此，在设计车用排气消声器时要处理好声学—流体力学这一矛盾，获得既有大消声量（声学性能好）、排气背压小（流体力学性能好，功率损失小）的消声器具有很重要的现实意义。衡量消声器对发动机功率损失的影响程度的主要评价指标是压力损失。传统的实验研究方法存在着周期长、成本高的缺陷。

本文，笔者利用专业的建模软件对某消声器结构进行了三维实体建模，并把消声器实体模型导入有限元分析软件ANSYS，建立消声器有限元模型，模拟消声器实际使用情况，利用ANSYS的流体分析模块对消声器进行流场分析，得到发动机废气经过消声器进出口时的压力损失，实现了对消声器性能的预测分析。

一、排气消声器流体力学性能的评价指标

代表消声器流体力学性能的空气动力学性能以功率损失比、压力损失和阻力系数来评价。压力损失越大，消声效果越好；但另一方面，压力损失越大，对发动机功率的影响越大。压力损失是指待测消声器存在平稳气流时，消声器进口端与出口端平均全压的降低量，考虑发动机功率损失，其值越小越好。

二、利用计算机仿真方法进行消声器性能研究的流程

首先根据消声器实际结构，用计算机辅助画图软件建立三维实体模型，然后导入计算机辅助有限元分析软件，划分单元格后生成消声器的有限元模型，然后模拟消声器实际工作条件，对其加载后进行分析计算，最后根据生成的图表进行分析计算得到所需的参数，用来预测消声器的性能。

三、消声器结构模型的建立

本文，笔者所研究消声器为抗性消声器，是为了满足中、低频的消声效果。其结构及尺寸如图1所示，总长为1000mm；扩张腔长为600mm，直径150mm；内部四级消声结构为双面鼻锥结构，双面鼻锥内圆直径101.5mm，鼻锥角度为40°，壁厚为1mm；出/入管直径50mm，材料选用钢Q235，其参数见表1。

表1 Q235的参数

四、消声器模型的内部流场分析

1.定义初始条件。该消声器在发动机转速5500r/min时，消声器入口处质量流量为0.06kg/s，由公式（1）可计算流体的速度。

式中，Q为流量，A1、A2为截面积，v1、v2为流体在截面处的速度。根据入口处空气特性指标，由公式（1）可计算出流体的速度v=27.5m/s。

雷诺数Re=43698＞4000。计算结果表明，消声管内部气流Re数已远远大于4000，说明这时管内流动不但是湍流，而且已进入阻力平方区，即消声器内的压降和流速的2次方成正比，流体受到的黏性阻力对压降的影响相对较小，可以忽略。计算可得马赫数=0.083＜0.3，是不可压缩流体。

2.定义边界条件。由于消声器的内管壁为光滑、非渗透性的，管壁没有滑移，即流体在壁面边界上的速度设为0；流体速度v=27.5m/s；气流方向垂直于入口处；假定进口速度均匀，并且垂直于进口流场方向上的流体速度为零；假定出口压力为零。

3.内部流场分析。施加边界条件和设置流体特性与环境后，执行流体分析。进入一般后处理模块，绘出速度的向量显示图。绘出速度及总压力云图。速度云图如图2所示。总压力云图如图3所示。

4.图形分析及压力损失计算。

（1）图形分析。由速度矢量图可以看出，流体与消声器壁和鼻锥发生多次碰撞，是造成消声器压力损失的主要原因。由速度云图可以看出，在入口和出口处速度变化较大，出口处速度最大，且形成激喷噪声。由于涡流造成扩张腔中部速度变化不均匀，但总体变化不大。由总压力云图可以看出，总压力在入口和出口处变化较大，而扩张腔中变化不大。

（2）压力损失计算。在根据消声器仿真结果进行压力损失计算时，在进口和出口端管道的平直部分的中部，各选一个测量截面，在给定气流速度下测出两个截面上的平均全压，由消声器两端平均全压的降低量得出压力损失。其具体步骤如下。

在消声器的输入、输出管的横截面上，采用N个（N≥9）均匀的点来计算消声器的平均压强，计算平均动压强的修正系数为：

式中，N为点的个数；vi为每一个点的速度，单位为m/s；vm为相应截面中心点处速度值。

平均动压计算公式为：

式中，pv为相应截面中心点处的动压强，单位为Pa。

截面的全压为：

式中，ps为指定截面的静压，单位为Pa。

消声器的压力损失就是输入、输出截面的全压之差：

五、结论

1.综合速度矢量图、速度云图、总压力云图以及压力损失可以看出，四级双面鼻锥结构使气流沿多级锥体缩放、撞击分流以达到消声效果。内部在鼻锥结构和消声器中部由于声波的反复反射，形成部分涡流，容易形成二次振动噪声。在消声器出口处，流体的速度及消声器内部压力会突然增加，形成激喷现象，结构上有待改进。

2.在消声器的设计中，评价消声效果的一个重要指标是压力损失。压力损失越大，消声效果越好；但另一方面，压力损失越大，对发动机功率的影响越大。因此在消声器的设计中应该综合考虑压力损失对消声效果和发动机功率的影响，取得一个最优值。可以改变鼻锥部分的角度，进行仿真计算，并与原消声器计算结果进行比较分析，得出结构改变对消声器性能的影响。

河南工程学院青年基金项目“汽车排气消声器的结构优化设计”（Y2007024）。