（机械工程专业论文）重型商用车排气系统阻力与温度场分布规律研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 重型商用车排气系统阻力与温度场分布规律研究 机械工程 张文博( 签名) 周三平( 签名) 王小峰( 签名) 啄 i 历 “删 1 嬲 捅要 随着机动车辆尤其是重型商用车辆的增加，车辆废气、噪声等问题已成为影响人们 日常生活的严重问题，而目前重型商用车排气系统普遍存在不能有效的降低发动机的排 气噪声，降噪能力差，超出国家法规8 4 d b 的限值。同时排气阻力大，发动机功率损失 较大，增加了耗油量。因此，提升消声器的降噪能力及降低排气阻力显得非常重要。排 气消声器涉及到流体、传热、振动、声学以及发动机性能等多个方面的学科，目前国内 的研究工作基本以实验以及开发人员的经验为主，但对于越来越复杂的消声器结构，不 论是理论指导还是经验设计，都难以满足要求。 本文通过对某商用车型排气系统进行数值模拟，采用混合网格的划分方法，标准 k - 模型，应用f l u e n t 数值模拟软件对消声器的内部流场和温度场进行了模拟，计算 得到了其内部压力、速度、温度等参数的分布情况。对压力场的分析表明阻力变化是由 于气体在经过穿孔管时，压力急剧下降，流体在腔体内部扩张，隔板处湍流大等原因造 成。温度场的分析表明温度沿消声器轴向递减，出口和进口温度差2 0 0 。c ，在消声器壁面 温度大约为7 0 9 0 之间。通过对速度场分析得到腔体内气流速度随压力增大而增大， 在隔板处气体径向速度大，湍动能高，湍流严重，造成阻力增大。 根据分析结果，对消声器的内部结构进行了优化，对插入管的插入深度，腔体容积 的分配进行了改进，并且加装尾管结构。改进后，内部流场的压力分布在第二腔中区域 均匀，腔中大的湍流明显减少，避免二次噪音的出现，温度在两腔中变化明显，出口温 度有所降低，消声器总体性能得到改善。 关键词：商用车，排气系统，c f d ，数值模拟 论文类型：应用研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：e x h a u s ts y s t e mr e s i s t a n c ea n dt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o nl a ws t u d yo f h e a v y - d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l e s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： z h a n gw c n b o ( s i g n a t u r e ) i n s t r u c t o r ：z h o us a n p i n g ( s i g n a t u r e ) w a n gx i a o f e n g ( s i g n a t u r e ) a b s i r a c i w i t ht h ei n c r e a s i n go fm o t o rv e h i c l e s ，e s p e c i a l l yt h eh e a v y d u t yc o m m e r c i a lv e h i c l e s ， p r o b l e m s ，s u c ha sv e h i c l ee x h a u s tg a sa n dn o i s e ，a r eb e c o m i n gs e r i o u sm a t t e r si n f l u e n c i n gt h e p e o p l e sd a i l yl i f e h o w e v e r ，e x h a u s ts y s t e mo np r e s e n tc o m m e r c i a lv e h i c l e su s u a l l yh a v et h e p r o b l e m st h a te x h a u s tn o i s eo fe n g i n ec o u l dn o tb er e d u c e de f f e c t i v e l ya n de x c e e d st h el i m i t v a l u eo f8 4 d bs p e c i f i e di nn a t i o n a l r e g u l a t i o n s ，s on o i s ea b a t e m e n ta b i l i t y i sw e a k m e a n w h i l e ，b e c a u s eo ft h eh i g hr e s i s t a n c eo fe x h a u s ta n dt h eh i g hp o w e rl o s so fe n g i n e ，f u e l c o n s u m p t i o ni si n c r e a s e d c o n s e q u e n t l y ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tt oi n c r e a s et h e n o i s ea b a t e m e n ta b i l i t ya n dr e d u c et h ee x h a u s tr e s i s t a n c e e x h a u s tm u f f l e r ，w h i c hi sc o n c e m e d w i t hm o r eb r a n c h e so fk n o w l e d g e ，s u c ha sf l u i dm e c h a n i c s ，h e a tt r a n s m i s s i o n ，v i b r a t i o n ， a c o u s t i c s ，e n g i n ep e r f o r m a n c ea n ds oo n d o m e s t i cs t u d i e sa n dr e s e a r c h e sa r em o s t l yb a s e do n e x p e r i m e n t sa n de x p e r i e n c e so fa p p l i c a t i o nd e v e l o p e r s ，f o rt h em o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d s t r u c t u r e so fm u f f l e r ，i tc o u l dn o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o rt h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n d p r a c t i c a ld e s i g n t h ea r t i c l e ，t h r o u g hn u m e r i c a lm o d e l i n gt h ee x h a u s ts y s t e mo fc o m m e r c i a lv e h i c l e ， a d o p t sa l l o c a t i o nm e t h o do fm i x e dg r i da n ds t a n d a r dk - m o d u l e ，a p p l y sf l u e n tn u m e r i c a l m o d e l i n gs o f t w a r et os i m u l a t et h ei n n e rf l o wf i e l da n dt h et e m p e r a t u r ef i e l do fm u f f l e ra n d c a l c u l a t e st h ed i s t r i b u t i o ns i t u a t i o n so fp a r a m e t e r so fi n n e rp r e s s u r e ，v e l o c i t y ，t e m p e r a t u r ea n d s oo n a f t e ra n a l y z i n g ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h er e s i s t a n c ei sv a r i o u s ，b e c a u s et h eg a si sg e t t i n g t h r o u g ht h et u b e ，a n dp r e s s u r ew i l lt h e nr e d u c eg r e a t l y ，t h ef l u i de x p a n d si n s i d et h ec h a m b e r ， a n dt u r b u l e n tf l o wo np a n e li st o ol a r g e t h et e m p e r a t i i r ew i l lb ea x i a l l yr e d u c e dg r a d u a l l y a l o n gt h em u f f l e r ，t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fi n l e ta n do u t l e tw i l lb e2 0 0 ，a n dt h ew a l l t e m p e r a t u r eo fm u f f l e rw i l lb ea b o u t7 0 。ct o9 0 。c g a sv e l o c i t yi n s i d et h ec h a m b e rw i l lb e i n c r e a s e dw i t ht h ep r e s s u r er i s i n g ，f l u i dr a d i a lv e l o c i t yo np a n e l si sh i g h ，a n dt u r b u l e n c e e n e r g yi sb i g ，t u r b u l e n tf l o wi ss e r i o u s ，s ot h er e s i s t a n c ei si n c r e a s i n g a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h ei n n e rs t r u c t u r eo fm u f f l e ri so p t i m i z e d ，t h ei n s e r t d e p t ho ft h et u b ea n dt h ea l l o c a t i o no fc h a m b e r v o l u m ea r ei m p r o v e d ，a n dt a i lp i p ei sa d d e d a f t e rm o d i f i c a t i o n ，t h ep r e s s u r ea l l o c a t i o no fi n n e rf l u i df i e l di se v e n l yd i s t r i b u t e do nt h e i i i 英文摘要 s e c o n dc h a m b e r ，l a r g et u r b u l e n c ei so b v i o u s l yr e d u c e dt op r e v e n t c a u s i n gs e c o n d a r yn o i s ea n d t h et e m p e r a t u r ec h a n g e sd i s t i n c t i v e l yi nt h et w oc h a m b e r s ，t h e nt h eo u t l e tt e m p e r a t u r ec a nb e l o w e r e dd o w na n dt h ec o m p l e t e d p e r f o r m a n c eo fm u f f l e ri sp e r f e c t e d k e y w o r d s ：c o m m e r c i a lv e h i c l e ，e x h a u s ts y s t e m ，c f d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t y p eo ft h e s i s - a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本研究的目的和意义 随着机动车辆尤其是重型商用车辆的增加，车辆废气、噪声等问题已成为影响人们 日常生活的严重问题，据统计，环境噪声的8 0 以上来源于机动车辆。噪声、动力性、 经济性和排放性能一起成为了评价汽车品质的重要指标。汽车排气系统噪声是车辆噪声 的主要来源，其比例占整车噪声的3 0 以上。排气噪声是由于废气脉动、气体流动产生 的涡流、边界层气流的扰动而产生的噪声以及排气口处的喷流噪声所组成。 在柴油机工作过程中，不仅要产生噪声，还要将气缸内的高压燃气膨胀做功后将废 气排出，以便重新进入新鲜空气组织下一次做功。据相关研究，柴油机的效率一般在3 0 左右，也就是说柴油燃烧产生的能量只有3 0 左右被转化为机械能，而其他部分则被转 化为热能，一部分由发动机缸体、缸盖等部件辐射出去，其他大部分随着废气排放到大 气中。据相关试验测试，1 0 l 左右的六缸柴油发动机，在峰值扭矩时发动机排气口出口 温度可达6 0 0 。c 左右1 2 i 。 因此，汽车排气系统应是以最小的排气阻力和噪声，将发动机产生的高压、高温气 体安全的排到大气中。一般来讲，为了控制排气噪声，比较常用的措施是在排气系统中 增加排气消声器，但是加装消声器后会对发动机的动力性和经济性产生一些负面的影响， 如增加了排气背压和排气阻力。消声器的消声性能越好，结构就越复杂，排气背压也就 越大。因此，研究消声性能好、排气背压损失小的排气消声器对整个排气系统具有重要 意义。 在排气系统的布置及设计中，由于受到布置空间的影响，排气管路不可能采用直接 连接增压器和消声器的方式，而是采用多个弯头进行连接，主要是避免和车辆的其他部 件干涉，因此也会造成排气阻力增大，影响到发动机的性能。位于排气管和消声器附近 的零件如驾驶室翻转油管、制动管路、线束等由于是橡胶件，在长期高温下可靠性会受 到很大的影响，尤其是燃油或液压油管路，如果出现破裂，经常会引起车辆的燃烧。由 于受到高温高压气体的冲击，在某一车型上出现消声器总成壳体撕裂的情况，噪音、有 害气体的排放都急剧增大，对环境产生极大影响。通过对排气系统温度场的分布规律的 研究，可以对排气系统周围的零件提出耐高温的技术指标，可以对消声器总成的结构进 行优化，从设计源头对车辆自燃或零部件的可靠性进行有效控制。 因此，本课题以重型商用车排气系统为研究对象，通过数值模拟的方法对发动机在 运转中产生的高温、高压气体的流场进行分析，研究排气管的走向及消声器的结构对发 动机排气阻力的影响，分析排气系统温度场的分布规律，对排气系统周围的零件提出耐 高温要求，对消声器总成的结构进行优化，从性能、结构及管路布置等方面对排气系统 提出改进优化，降低排气系统的阻力，提高排气系统及周围零件的可靠性。 西安石油大学硕士学位论文 在企业中对排气系统的设计目前仅依靠经验设计，设计方案的优劣取决于工程师的 经验及业务能力，缺少一套完整的理论及模拟分析方法。因此通过本项目的研究，能够 掌握发动机排出的高温高压气体通过排气系统对周围各零件工作环境产生的影响，能够 对管路进行优化，在结构允许的情况下尽可能的降低排气阻力，形成完成的排气系统设 计分析方法，指导企业的新产品研发。 1 2 本研究的国内外现状 1 2 1 排气消声器研究现状 因为排气消声器涉及到流体、传热、振动、声学以及发动机性能等多个方面的学科， 早期的研究工作基本以实验以及开发人员的经验为主。开发人员根据发动机对排气系统 的整体要求，查阅相关资料，确定各项参数，根据个人经验进行设计，经过实验验证后 不断优化参数，最终满足要求。但对于越来越复杂的消声器结构，不论是理论指导还是 经验设计，都难以满足产品开发对周期、成本等方面的要求。 2 0 世纪2 0 年代，美国学者s t e w a r t 利用集中参数近似算法分析消声器元件，率先用 声滤波器理论指导抗性消声器设计，该方法仅适用于低频近似计算。19 5 4 年d a v i s 运用 平面波理论，分析了无气流情况下的消声器的声学特性。七十年代，c r o c k e r 和t h a w a n i 提出了存在气流影响时的声波传播理论，但仍然没有考虑温度梯度的影响。八十年代后， 随着对气流和温度的研究进一步深入，对利用该方法计算设计消声器有较全面的论述 1 3 - 4 1 o 1 2 2 数值方法研究现状5 。7 j 随着科学技术的发展与进步、新型材料及新技术的不断应用，尤其是数值计算理论 及计算机辅助设计分析技术的深入发展，消声器的设计方法也越来越成熟。数值模拟是 借助计算机，经过计算将结果意图时的方式显示出来的方法，从而直观的研究工程和自 然中的问题。数值模拟也就是用计算机计算的方式代替试验室的试验，比如某一特定机 车外流场的流动，数值模拟计算后通过图像等显示方法将结果显示出来，可以形象地再 现流动情景，可以看到流场的压力、流速、涡流和结构方面的不足所引起的压力损失， 从而能指导车身的设计，使得车辆的空气动力性能得到提高。总之数值分析方法可以模 拟出复杂结构的消声器的各项性能，并且能保证计算结果的准确性。此外，通过数值分 析还可以对多个方案进行分析对比，进行方案优化，能够大大的缩短开发周期及节省费 用。 数值计算方法在过去几十年内已经发展了多种数值解法，其问的主要区别在于区域 的离散方式、方程的离散方式及代数方程求解方法这3 个环节上。目前在流动与传热计 算中广泛使用的计算方法是：有限差分法，有限体积法、有限元法和谱方法。现将它们 的主要思想方法简述如下： 2 第一章绪论 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) ：在微分或偏微分方程中，其中有一 部分是导数项，如果用代数差商( a l g e b r a i cd i f f e r e c n eq u o t i e n t ) 替代方程里边的导数项， 这样可以把偏微分方程转化为代数方程组，进而得到数值解。这需要将求解域划分为一 系列的时空网格点，将方程中的导数用向前向后、中心差分算子等格式替换，用高斯消 去法、追赶法、迭代法等方法借助于计算机对转化后的代数方程组进行求解。由于各阶 导数的差分表达式可以从t a y l o r 展开式来导出，这种方法又称离散方程的t a y l o r 展开法。 有限差分法基本理论发展的比较成熟，在处理较为规则的边界时，该方法是适用的。但 是它对复杂区域的适应性较差以及对数值解的守恒性难以保证。 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ：在有限元法中把计算区域划分成一系列 单元体( 在二维情况下，单元体多为三角形或四边形) ，在每个单元体上取数个点作为节 点，然后通过对控制方程做积分来获得离散方程。它与有限体积法区别在于： ( 1 ) 要选定一个形状函数( 最简单的是线性函数) ，并通过单元体中节点上被求变 量之值来表示该形状函数；这一形状函数在建立离散方程及求解后结果的处理上都要应 用。 ( 2 ) 控制方程在节分之前要乘上一个权函数，要求在整个计算区域上控制方程余量 ( 即代入形状函数后使控制方程等号两端不相等的差值) 的加权平均值等于零，从而得 出一组关于节点上的被求变量的代数方程组。 有限元法能应用于各种不同物理模型的离散，其最大的优点就是能适应不规则区域。 比起有限体积法，有限元的计算量要大得多。另外在解决流动和换热问题方面，没有有 限体积法成熟。 谱方法：谱方法的计算机精度很高，可以处理比较复杂的问题。当微分方程的解足 够光滑时，谱方法给出的近似解将以很高的精度逼近微分方程的准确解，且收敛速度快。 谱方法的另外一个特点是所求解是对分析对象整体区域的近似，不是独立区域求解的结 果。 有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) ：有限体积法将所计算的区域划分成一 系列控制体积，每个控制体积都有一个节点作代表，通过将控制方程对控制体积积分来 导出离散方程。在积分过程中，需要对控制体积界面上的被求函数本身( 对流通量) 及 其一阶导数( 扩散通量) 的构成做出假定，这就成了不同的格式。由于扩散项多是采用 相当二阶精度的线性插值，因而格式的区别主要体现在对流项上。用有限体积法导出的 离散方程可以保证其有守恒特性，而且离散方程中系数所代表的物理量意义比较明确， 在计算流动和传热领域应用广泛。 1 2 3 阻力研究现状 消声器的阻力特性通常采用阻力损失和阻力损失系数来评价，消声器的阻力包括摩 擦阻力损失和局部阻力损失，摩擦阻力损失是由于流体与消声器壁面之间的摩擦而产生 西安石油大学硕士学位论文 的阻力损失，体速度、管壁粗糙度有关。经验估算公式表示为0 5 l ： 6 p 摩= 2 x _ l 互1p 。2(1-1) 式中： p 一流体密度 v 一流体速度 l 一管道长度 d 一横截面等效直径( 它等于四倍面积s 与周长f 之比) 九一摩擦阻力系数 局部阻力损失与流体速度及局部结构有关。经验估算公式表示为： a p 局= 孝军( 1 - 2 ) 式中毛为局部阻力损失系数。消声器总的压力损失应为这两部分阻力损失之和。 1 3 研究内容 通过对某款重型商用车排气系统进行建模并进行仿真分析，熟练掌握三维建模软件 的应用，并结合c f d 分析了解掌握排气系统消声器中流场的分布，以及内部的各项参数， 并对消声器内部的温度场进行仿真分析，掌握温度分布的规律，以便给企业在设计改进 排气系统提供理论依据，对排气系统周围零件提出耐高温的技术要求，从管路走向、消 声器结构等方面对排气系统进行改进和优化。 ( 1 ) 建立六缸柴油发动机高温高压排气的流动模型，通过计算流体力学( c f d ) 数 值模拟研究排气流动分布规律，掌握消声器内部压力场和速度场的分布情况，并分析消 声器内部插入管、挡板、尾管等结构对流场的影响，指导消声器设计。 ( 2 ) 模拟分析消声器内部温度场分布，探索排气系统温度场数值模拟的方法，掌握 系统沿程温度分布情况，对周围零部件的隔热处理提出相应参考依据。 ( 3 ) 分析不同尾管结构对消声器内部流场的影响，对比两种结构的分析结果，探究 尾管的优化设计。 ( 4 ) 通过总结分析，提出消声器内部结构优化思路，为今后设计性能良好的消声器 提出参考。 第二章重型汽车排气系统结构与建模 第二章重型汽车排气系统结构与建模 2 1 重型汽车排气系统结构简介 重型汽车排气系统主要作用是将发动机排出废气引流至大气中，为了降低排气噪声 及温度对环境的影响，在排气系统中布置了相应的消声降噪元件。本文主要研究满足国 三排放要求的重型商用车排气系统消声器中压力场和温度场分布。图2 1 为国内某款车 型排气系统结构及组成。 该车型排气系统由排气管道1 、排气制动蝶阀2 、挠性元件3 和消声元件6 7 组成， 为了使得整个系统在汽车运行时的可靠性及寿命增加，整个系统在安装时需要连接元件 5 ，将整个系统固定在车架上，不同车型的排气系统是不同的，需要根据发动机型号和整 车布置进行设计优化，保证满足发动机排气标准要求，减少发动机的功率损失，同时还 要保证整个系统的成本。 1 排气管总成2 一排气制动蝶阀3 一挠性软管4 排气管总成 5 支架6 消声器总成7 排气尾管 图2 - 1重型商用车排气系统布置结构 在整车布置中，对排气系统的位置进行要求，需要考虑系统周边的各个元件，首先 要保证不能产生干涉，其次要保证车辆在运行时，排气系统的温度不影响周围元件的正 常使用和寿命。图2 2 所示为整车装配后排气系统位置。 在设计时需要考虑车身悬置系统、车架、翼子板、电瓶箱及悬架系统等不同结构。 在排气系统周边的部件如翼子板、气动管路和电瓶箱在高温情况下都将引起系统和本身 的失效或寿命的降低，通常对于温度分布比较高的管路需要加装隔热板，以避免对周边 元件的炙烤。因此对排气系统的温度场分析有利于对系统布置进行优化，能够对周边元 件失效分析提供帮助。 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 2 整车装配后排气系统位置 目前重型商用车排气系统普遍存在噪音大的问题，不能有效的降低发动机排气噪声， 超出国家法规要求的8 4 d b 限值4 d b 以上，同时，排气阻力也超过了发动机要求，功率 损失较大，增加耗油量。 2 2 汽车排气系统设计原则【4 4 】 影响发动机排气系统的因素主要有气缸压力、排气门直径、发动机排量以及排气门 开启特性等，对于同一个型号的发动机，排气系统主要影响因素是发动机的转速和负荷。 对于排气系统，发动机的空载和满负荷情况下压力和噪声有较大差别，另外排气系 统中的涡轮增压系统对排气系统的高频噪音影响较大。 排气系统的设计原则是利用尽量小的流动阻力把柴油机燃烧形成的废气排到汽车以 外的某一位置。 排气系统的性能好坏会影响发动机的多个性能指标，与功率、排放、油耗、噪声、 热负荷直接相关，对于商用车设计中，从安全的角度出发，采取积极措施来防止排气系 统周围部件因热辐射失效是很有必要的。排气尾管管口的位置必须使排气远离发动机进 气口和冷却通风系统以降低发动机工作温度并保证其性能。 由排气管路及消声器施加给发动机的排气背压必须低于发动机技术参数中规定的最 大值。另外，排气背压的增加也会使烟度和排气温度有不同程度的增加。 在排气系统中，发动机排气口到排气消声器之间都会布置弹性补偿元件，一般使用 挠性软管和波纹管作为补偿、减震元件，使用这种结构不仅可以解决由于发动机与排气 系统装置震动不同步而使得系统寿命减低，还可以用来补偿因为系统热肠冷缩所产生的 位移误差。在结构布置方面，弹性元件一般要尽可能的靠近发动机一端安装，使得系统 补偿性能提高，避免给废气增加涡轮附加更大的应力。在安装中还要注意补偿元件的轴 线应可能的布置在发动机的振动截面上，即振动和膨胀不在同一方向。 第二章重型汽车排气系统结构与建模 2 3 消声器设计标准 排气消声器的主要作用是降低发动机排气噪声，并使高温废气能安全有效地排出。 2 3 1 消声器技术参数 插入损失：消声器的插入损失为装置消声器前后，通过排气口辐射声功率之差。符 号：d ；单位：d b 。 注：通常情况下，管i s l 大小、形状、声场分布保持近似相同，这时插入损失就等于 在给定点处装置消声器前后声压级之差。 插入损失按下式计算： d = 厶一l 2( 2 一1 ) 式中： d 插入损失，d b ； 厶不带消声器带空管的排气噪声4 、c 声压级或频带声压级，d b ( 基准声压 值为：2 0 p p a ) 匕带消声器后的排气噪声彳、c 声压级或频带声压级，d b ( 基准声压值为： 2 0 f l p a ) 插入损失应为发动机全负荷工况，包括额定功率点在内的不少于5 个转速的测量值。 功率损失比：消声器的功率损失比是发动机在标定工况下，使用消声器前后的功率 差值和没有使用消声器时功率值的百分比。符号： 厂 功率损失比按下式计算： y ：华1 0 0 ( 2 - 2 ) d 式中： y 功率损失比； # 不带消声器带空管时的发动机功率，k w ； 罡带消声器后发动机功率，k w 。 在实际测量中，由于消声器功率消耗较小，发动机工况不稳定及测量功率损失精度 等因素影响，不易反映出实际损失的差异，用直接测量消声器排气的背压来评价消声器 性能反而比测量功率损失比更有效。一般情况发动机总成都对排气背压限值提出明确要 求。 排气背压：按q c t5 2 4 设置排气背压测量点( 离发动机排气管出口或涡轮增压器出 口7 5 m m 处，在排气连接管里测量，测压头与管内壁平齐) ，当分别带消声器和带空管 时，测点处的相对压力值之差。符号：肿，单位：k p a 。 a p = p e x l p e x 2( 2 3 ) 式中： 西安石油大学硕士学位论文 卸排气背压，k p a ； p e x 带消声器时测点的相对压力，k p a ； p e x z 不带消声器( 即带空管) 时测点的相对压力，k p a 。 2 3 2 技术要求 气密性、振动耐久性、插入损失、功率损失比、排气背压及抗回火等性能应满足下 面要求。 ( 1 ) 气密性 消声器内相对气压稳定在( 3 0 1 ) k p a 时，消声器漏气量总和不超过1 0 0 l m i n 。 ( 2 ) 振动耐久性 消声器经振动试验后，不能出现咬口或焊缝处开裂、焊接处裂纹、隔板及消声管脱 焊等损坏现象。 ( 3 ) 消声器发动机台架试验性能 消声器插入损失， 2 5 d b 。 功率损失比3 。 国内重型商用车匹配的主流的柴油发动机对排气系统的排气背压要求应符合表2 1 。 表2 - 1 排气背压 ( 4 ) 抗腐蚀性能 消声器应采取抗腐蚀措施，可以采用涂耐高温涂层或镀铝材料或不锈钢材料，按照 g b t1 0 1 2 5 1 9 9 7 的试验方法检测，要求在3 0 0 小时内不得出现锈蚀。 ( 5 ) 防火要求 用于林区、造纸及油品等有关特殊地方有防火要求的消声器应有火花熄灭装置，并 且满足g b t1 3 3 6 5 1 9 9 2 要求。 ( 6 ) 消声器寿命 在发动机和汽车厂家规定的正常保养维修使用条件下，重型车消声器使用4 5 0 0 0 k m 或2 年，其插入损失不得减少6 d b ( a ) 以上，功率损失比不得增加3 以上。 2 4 建模软件介绍 随着计算机技术在工业设计中的发展，三维工程软件也得到了迅速的发展，机械领 域的设计从原来的二维设计发展到了三维设计，数据管理系统的发展也推动了机械设计 领域的变革，大大的降低了产品开发周期，降低了开发成本。 目前市场上的设计软件品种多，种类全，各有特色。但其基本原理和提供的功能是 第二章重型汽车排气系统结构与建模 基本相同的，只是在界面设计、人机对话方面有所不同，根据不同行业的需求，各个软 件也都有其重点发展的方向，企业在进行设计软件的选择时，也是结合本企业的实际进 行合理购置，这样也促使个软件向着专业化方向发展。目前被广泛采用的见表2 2 ： 表2 - 2 国内外主流设计软件 l 国外 c a t i a ，p r o e ，s o l i d w o r k s ，u n i g r a p h i c s ，a u t o c a d l 国内开目c a d 、高华c a d 、金银花系统 在汽车领域，主要采用p r o e 、c a t i a 等三维软件，本文应用p r o e 为软件进行排气 系统的实体造型和流道建模 1 0 - 1 5 】。 图2 3 排气系统三维模型 在p r o e 中，按照1 ：l 比例建模如图2 3 ，后续的分析中仅对排气消声器内部流场 和温度场进行研究，不考虑排气制动阀及管路对分析的影响。 抗性消声器内部由扩张室、共振室组成，并通过穿孔管或插入管连接各腔室。插入 管因有大量的孔存在，在穿孔管的建模中，开孔率及孔径大小直接决定网格划分的多少， 在计算中需要很大的计算量和计算时间。消声器的穿孔板孔径一般为3 1 0 m m ，微穿孔 板消声器穿孔板孔径一般为o 5 1 0 m m 。本文在分析允许范围内，根据实际的资源将开 孔率缩小，选用孔径为巾1 0 m m ，开孔1 4 0 个。 在c f d 分析中需要的是流体流动经过的区域，也就是流动模型，建模时需要将固体 区域进行布尔运算减掉，只对流体所经过的区域建模，对于流动影响较小的区域，可以 进行简化处理，避免尖锐结构出现，以减少后期网格划分数量。提高运算速度，本文中 消声器可以分体建模，也可以将所有区域合并为一个流动区域，本文研究模型中流体流 经区域边界条件一致，在划分网格时，再用点、线、面将区域分割，实现分体划分。 9 西安石油大学硕士学位论文 图2 - 4 简化的消声器模型图2 5 穿孔管结构示意 图2 - 6 消声器c f d 模型 图2 7 穿孔管c f d 模型 2 5 本章小结 本章主要对汽车排气系统进行了介绍和建模，以及如何利用c f d 软件进行数值模拟 前的准备工作做了详细介绍。消声器建模中需要对原始模型进行优化，尽量保持消声器 的原理性能要素，建立流体区域的模型，壁面尖点和重合面出现。在结构化网格和非结 构化网格的划分上，给出了选择划分方法。考虑消声器中，插入管穿孔的特性，需要对 插入管所在区域进行局部优化，加密划分网格，其余区域运用结构化和非结构化网格划 分，也就是混合网格。其次在判定和加速收敛的问题上，给出了数值模拟收敛判定标准 和如何获取快速准确的收敛方法。 1 0 第二章排气系统数值模拟理论研究 第三章排气系统数值模拟理论研究 3 1 计算流体力学基础知识概述 任何流体流动在物理上都是由质量守恒定律，牛顿第二定律和能量守恒定律来控制 的。这些基本的物理定律可以用一些基本数学方程式来表达，它们的常见形式有微分方 程式和积分方程式。计算流体力学将用离散的代数形式替换这些方程中的积分或者导数 并求解，从而得到流场参数在( 时间和空间) 离散点处的数值。这样的学科称为计算流 体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 。计算流体力学是计算力学的一个分支， 是为了弥补理论分析方法的不足而于2 0 世纪6 0 年代发展起来的，并相应地形成了各种 数值方法，主要有有限差分法和有限元法。c f d 的最终结果只是一堆数，而不是封闭形 式的解析表达式。然而大多数工程分析最终的目的是获得对问题定量描述( 无论封闭形 式还是其他形式) ，也就是数。 计算流体力学求解问题的基本思想是：用离散化的数学方法将时空区域上的连续物 理量，用一系列有限个离散点来代替，即就是将控制方程中微商和积分用差商来替代， 并将从微分方程转化的n 元线性方程组借助于计算机进行求解。上述基本思想如图3 1 所示。 流体力学研究的方法和物理学其他领域一样，有理论，实验和计算三种。三种方法 取长补短，相互促进，彼此影响，如图3 2 所示。 + 线 性 问 酾 图3 1c f d 数值模拟流程图 以 当 渲 重 建 离 散 方 西安石油大学硕士学位论文 图3 - 2 流体力学研究方法之间的关系 理论研究方法首先根据流体的物理性质和运动特性，抓住主要因素，建立理论模型。 其次根据普遍规律( 例如牛顿定律、能量守恒定律) 以及有关流体相关的实验公式，建 立封闭的方程组，并确定初始边界条件。最后求出解析解，揭示物理量的变化规律。理 论研究方法的特点在于科学地抽象，从而利用数学方法求出理论结果，但其值局限于比 较简单的理论模型。 实验研究方法在流体力学中有着广泛的应用。流体力学的实验研究主要在风洞、激 波管、水洞、水槽、水电比拟等实验设备中进行试验或实物实验。它的特点在于它能与 所研究的问题完全相同或大体相同的条件下进行观察，其结果一般来说是可靠的。但是 实验方法往往要受模型尺寸的限制，此外还有边界影响，相似准则不能完全满足等问题。 电子计算机技术发展了一些计算方法，如有限元法，数值方法在流体力学中的应用 促进了流体力学的发展，为简化流动模型的创建提供了更多的依据，使很多分析方法得 到了发展和完善。计算流体力学采用数值模拟方法，研究流体运动的基本物理特性。其 特点是： 1 ) 给出了流体运动域内的离散解，而不是解析解，这是区别于一般理论分析方法； 2 ) 计算机的发展与之发展相辅相成，因为在实际的模拟计算中，要获得精确的解， 和对复杂流体区域的模拟计算都需要大的计算机内核和更快速准确的计算速度，计算机 的发展为铺平道路。 3 ) 如果一些物理问题包括数学方程及其相应的边界条件的数学提法是正确的，则可 在马赫数、雷诺数、气体性质、模型尺度等范围内研究流体力学问题，且能给出流场参 数的定量结果。 以上这些都是在传统的风洞实验和理论分析中难以实现的。但是要获得精确的解还 需要与实际的试验相结合，数值模拟不能脱离试验的验证。近年来，随着高速巨型并行 计算机的出现，计算方法的不断创新，计算流体力学更有了日新月异的进展。它为流体 力学的发展掀开了新的一页，已应用于各个领域，如水利工程、土木工程、环境工程、 食品工程、海洋石油工程等。 1 2 第三章排气系统数值模拟理论研究 3 2c f d 在排气系统设计中的任务【4 4 ( 1 ) 消声器设计优化 过去，在消声器的设计中，都是依靠经验来设计消声装置，这种方法费时费力，效 果不好，随着计算机技术的发展，利用c f d 软件模拟仿真消声器的内流场各项参数，可 以得到装置内部的压力损失和流场分布特性，从而指导消声器的优化设计工作，减少试 验次数和因为试验所带来的巨大成本和工作量，同时可以缩短设计周期。c f d 技术使得 设计人员可以从改善消声器内部流场的角度来研究催化消声器的结构和参数，适时地进 行结构调整和优化，并根据模拟结果，分析影响催化转化器内部流动均匀性和压力损失 产生的主要因素，使其各方面都达到最优位引。 ( 2 ) 排气系统性能仿真分析 运用c f d 流体分析软件，可以很容易的得到计算域的内部流动特性，在汽车排气消 声器的设计中，通过对流体区域的建模、离散，仿真计算，运用数据处理，用图像将各 项参数现实出来，如流速、温度、压力、湍动能、流线以及换热系数分布。通过对模拟 结果的分析研究，查看流场中速度的分布以及流动阻力的情况，就可以从理论方面判断 消声器各腔的结构是否合理，考察各腔温度分布的合理性，获得结构对消声器内部压力 损失和温度场影响的因素，以及对可能产生的再生噪声进行预测。通过分析，对于结构 不合理的消声器就可以及时地优化设计，改变结构，使得气流顺畅，从而提高发动机的 功率，提高整车的性能。 3 3 流体动力学c f d 基本理论 一切客观事物都是互相联系的，具有其自己的特殊规律。流体运动固然千变万化， 但也有其内在规律。这些规律就是自然科学中通过大量实践和实验归纳出来的质量守恒 定律、动量定理、能量守恒定律、热力学定理以及流体的物性。它们在流体力学中有独 特的表达形式，组成了制约流体运动的基本方程。本研究主要涉及到描述这些守恒定律 的控制方程( g o v e r n i n ge a q u a t i o n s ) 有： 3 3 1 连续性方程 无数生产实践和科学实验都证明，质量是不生不灭的。无论经过什么形式的运动， 机械的、物理的、化学的，物质的总质量是不变的。这个规律就是质量守恒定律( m a s s c o n s e r v a t i o ne q u a t i o n ) 。将该规律应用于流体控制体，就得到连续性方程，这就意味着通 过控制面s 流出控制体的净质量等于控制体内质量减少的时问变化率。由此可导出流体 流动连续性方程的积分形式为： 昙肛y + 咖旷劣= o ( 3 - 1 ) v vs 式中：d v 表示有限控制体积内的一个体积微元，嬲表示表面微元向量。 西安石油大学硕士学位论文 连续性方程的偏微分微分方程形式为： 害+ v ( 历) ：0 ( 3 2 ) 8 t 、。 对于卜司压缩稳态流动，万程简化为：v 厅= 0 式中，p 为流体密度，k g m 3 ；，为时间，s ；历为速度矢量，m s 。 3 3 2 运动方程 动量守恒定律( m o m e n t u mc o n s e r a t i o ne q u a t i o n ) 是流体运动时遵循的另一个定律。 该定律可表述为：在一给定体积流体系统，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力 总和。其数学表达式即为动量方程，也称为运动方程，或n s 方程，其微分形式如下： p 害叫郴肛一塞+ 等+ 等+ 鲁+ e 悖3 a ， 户害州御胪一考+ 誓+ 鲁+ 誓+ c 海3 b ， p 詈州渊胪一老+ 鲁+ 鲁+ 等+ e 3 c ， 粘件应力f 与流体的变形率成比例关系有： f 。= 2 娑+ 2 , v ( 厅) 优 铲2 毒v ( 磊) f ：2 “坐+ 磁v ( 3 - 4 ) 出 f ，抛挑 2 2 l 万+ 瓦j f 加伽1 2 叫l 瓦+ 万j 8 w a z f1 吃可”叫i 瓦+ 瓦j 式中，是分子粘性系数，兄是第二粘性系数，一般可取五= 一；。 3 4 湍流模型理论介绍 3 4 1 湍流的性质和介绍 自然界中的流动大多是湍流( 又称紊流) ，早在1 8 8 3 年，英国科学家雷诺就进行了 有关层流和湍流的实验。湍流流动中，不仅速度随时间和空间发生不规则的随机性的连 1 4 第三章排气系统数值模拟理论研究 续性脉动，其他各个参数，诸如压力、温度等都是如此，并且在不同时间段和不同空间 范围内观测到的连续脉动的曲线的形态都不相同。 湍流参数变化呈现出的脉动实质上是一种庞杂的漩涡运动的结果。大漩涡的尺度可 以与流动边界( 如边界层厚度) 相比拟，也就是说大尺度的漩涡的大小取决于流动区域 的线性尺度。小漩涡的尺度很小，频率却很高，而且随着时间的推进，大尺度的漩涡不 断分为小尺度的漩涡，小尺度的漩涡再分解为更小尺度。整个湍流流动呈现了涡中有涡 的复杂漩涡系结构。 湍流可以产生在像节流阀1 5 1 的小尺度的位置。在这样的尺度小( 长度0 1 2 r a m ) ， 粘性影响十分重要。为了克服粘性应力的作用要做功，漩涡运动的能被消耗和转变为内 部热能。这种消耗增加了湍流的能量损失。由于最大的