1、内燃机与配件w w w n r j p j c n产业研究分流气体对冲排气消声器研究综述王晶(内蒙古农业大学 机电工程学院,内蒙古 呼和浩特 )摘要:分流气体对冲原理是利用声波反相抵消,来降低排气噪声中起主导地位的低频成份;利用气流对冲流速降低,从而减小气流再生噪声的原理,降低其他频带下的噪声.我对基于此原理的分流气体对冲排气消声器研究及现状进行了综述性的介绍,大致按时间顺序,分别对每位研究人员的研究方向、方法及研究成果进行了系统阐述.本文旨在汇总关于分流气体对冲原理所有文献,总结其成果、方法与不足,便于读者对此原理所做消声器有所认识,为未来的研究及应用提供方向和方法.关键词:分流气体对冲;数
2、值模拟;消声器中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()R e v i e wo fS p l i t s t r e a mR u s h i n gE x h a u s tM u f f l e rW a n gJ i n g(C o l l e g eo fM e c h a n i c a l&E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,I n n e rM o n g o l i aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,H o h h o t ,C h i n a)A b s t r a c
3、t:T h ep r i n c i p l eo f s p l i t s t r e a mr u s h i n g i s t ou s e s o n i c i n v e r t i n go f f s e t t o r e d u c e t h ed o m i n a n t l o wf r e q u e n c yp a r to f e x h a u s tn o i s e;T h ea i r f l o wh e d g i n gs p e e d i sr e d u c e dt or e d u c et h ep r i n c i p l
4、eo fa i r f l o wr e g e n e r a t i o nn o i s ea n d r e d u c e t h en o i s eu n d e r o t h e r f r e q u e n c yb a n d s I h a v em a d e a no v e r v i e wo f t h e r e s e a r c ha n dc u r r e n ts i t u a t i o no f s p l i t s t r e a mr u s h i n ge x h a u s tm u f f l e rb a s e do nt
5、 h i sp r i n c i p l e,a n ds y s t e m a t i c a l l ye x p o u n d e dt h e i rr e s e a r c hd i r e c t i o n,m e t h o da n dr e s e a r c hr e s u l t s i nc h r o n o l o g i c a l o r d e r,i nt h eu n i t o f e a c hr e s e a r c h e r T h ep u r p o s eo f t h i sp a p e r i st os u mm a
6、r i z ea l l t h el i t e r a t u r eo nt h ep r i n c i p l eo fs p l i t s t r e a mr u s h i n g,s u mm a r i z ei t sr e s u l t s,m e t h o d sa n ds h o r t c o m i n g s,f a c i l i t a t e t h e r e a d e r su n d e r s t a n d i n go f t h i sp r i n c i p l eo f s i l e n c e r,a n dp r o
7、v i d ed i r e c t i o na n dm e t h o df o r f u t u r er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n K e yw o r d s:S p l i t s t r e a mr u s h i n g;N u m e r i c a l s i m u l a t i o n;M u f f l e r基金项目:基于分流对冲消声原理的柴油机消声器气流调控方法研究(M S )作者简介:王晶(),女,内蒙古呼伦贝尔市,汉族,硕士,工程测试与控制技术.引言排气噪声作为柴油机的噪声源的重要组成部分之一,对人
8、们的身体健康有着极大的危害性,人们通过各种措施使噪声控制在合理的范围内,其中安装排气消声器是最为有效的控制方法.排气消声器可分为抗性消声器、阻性消声器和阻抗复合型消声器三类.阻性消声器通过在消声器内安装吸声材料以达到消声的目的,然而,柴油机排出的气体具有高温、高腐蚀性的特点,一定时间后内部材料会损毁,而与之相比,简单钢结构的抗性消声器则不存在这样的问题.抗性消声器虽然耐久性好,也有其弊端 结构简单、消声量差,结构复杂、排气背压大.消声量和排气背压是一对矛盾的特性,在抗性消声器的研究过程中往往顾此失彼.鉴于此,课题组提出了分流气体对冲消声原理,该原理通过对冲降低气流速度,在兼顾消声性能的前提下,
9、有效降低消声器内气流速度,减小排气阻力,从而降低消声器排气背压,并减小由气流产生的再生噪声和改善内流场湍动能分布,提升消声器整体性能.基于此原理,课题组进行了各个方向的研究,并取得了一系列相关成果,从各种方面说明了此原理的正确性及优越性.本文对课题组进行的相关研究按研究内容及时间先后顺序进行了分析,证明此原理的正确及优越性,总结相关研究方法与不足,给予未来的研究一定的方向性及启示.第二节阐述了分流对冲消声器研究现状,按不同阶段的原理及结构进行阐述.第三节给出了本文的结论.分流对冲排气消声器研究现状自课题组提出分流气体对冲的原理已十余年,历经多位博、硕士研究生,笔者在此从结构的不同大致将其可以分
10、为三个阶段,对其结构、原理和内容进行阐述.反相对冲消声结构原理及内容 年邵颖丽首次提出了反相对冲消声的新型原理 .基于此原理构建了结构如图的物理模型,工作原理如下:通过隔板对气流进行分流,一部分正常流入消声器外腔,一部分通过U型管延迟半个波长进入外腔,相差半个波长的两股气流由B、C对冲孔流入内腔,声波反相抵消,降低了目标低频成分;气流对冲,降低了整体气流速度,从而减小了气流再生噪声,使得其它频带下的噪声也得以降低.因结构简单,没有穿孔管、穿孔板等易引起排气背压的小孔成分,也没有流通面积的剧烈收缩,气流速度亦得以降低,其排气背压低.年第 期图反相对冲消声单元简图基于上述物理模型,邵颖丽利用声辐射
11、理论对其声学性能进行数学建模,进而推导其传递损失与结构参数之间的关系.通过测试和频谱分析得到C G 型单缸柴油机排气噪声特性,通过奇异值分解技术分解重构获得目标消声频带.以目标消声频带确定三种不同参数的反相对冲消声器.制作消声器后,对此三种消声器进行了种转速下排气噪声的总A声级、倍频程声压级实车测试及详细频谱分析并与不安装消声器及原装消声器进行了对比分析.(不安装消声器指以等长直管代替,以便于噪声测试,后文所提及不安装与此相同.)结果显示种新型消声器均取得较好效果,达到了 d B(A),较原装消声器提高了 d B(A).且相比于原装消声器高频消声性能好、低频消声性能差的特性,新型消声器在低频段
12、具有较好的消声性能,更对应C G 型单缸柴油机的消声频段.这正证明了反相原理的有效性.新型消声器在全频段具有降噪效果,则说明了对冲原理的正确性.年赵志文据邵颖丽提出的消声器,通过模拟仿真和实车验证的方法对其声学性能进行了研究,进一步验证了原理的正确性,同时为消声器设计提供了更多的方法和依据.对冲消声结构原理及内容此部分是反相对冲消声原理到分流对冲消声原理的过渡.此部分以对冲结构为主,除去了U型管结构,分流结构初具模型.薛晶基于气流反相对冲原理,设计了对冲结构,如图所示,并利用F l u e n t软件进行了温度、速度分析试验,通过出入口温度不同验证了能量损耗,由速度变化不明显得出对冲弯管太短的
13、结论,基于此,进一步优化结构,如图所示,增加了对冲弯管长度和分流锥扩张结构,后又出于加工方便的目的进一步将分流锥扩张结构划分为两个圆柱形并进行了三个相同结构的串联,如图、图所示,得到了较为合理的对冲结构.图反相对冲结构三维图 图先扩张后对冲式消声结构三维图 图对冲单元优化设置三维图 图三段对冲单元三维图 年宋佰高提出了一种新型结构排气消声器,并使用计算流体力学的方法对其空气动力学性能进行了分析,进行了结构的优化.最后在实车额定转速下验证了优化 后 的 结 构 的 消 声 性 能 良 好,插 入 损 失 可 达 到 d B,.图分流对冲消声器结构简图宋佰高提出的消声器因局部结构不合理,虽然达到了
14、降速的目的,但同时产生了很大的压力损失,年霍黎明对此结构消声器应用流体力学方法进行了内流场分析,找出了压力损失较大位置处,通过增加导流环、加大弯头半径等方法,消除了容易产生速度梯度的负压区,并在课题组自制的试验台进行了改进前后压力损失的对比研 究,同 时 用FW H声 学 比 拟 法 进 行 了 再 生 噪 声研究,.分流气体对冲消声结构原理及内容 年苏赫、张永安等人在课题组前期的研究基础上提出了一种分流气体对冲排气消声器.后期结构基本都基于此结构,只在结构参数、对冲孔数这样的细节进行优化,其结构如图所示,工作原理如下:气流从左边入口进入,经过分流锥环进入外腔,在两对对冲口流入内腔,发生对冲,
15、对冲后气流从尾管流出.四个对冲孔面积大于入口面积,内腔截面积大于外腔截面积,气流流通面积持续扩大,相当于扩张腔结构,对冲则降内燃机与配件w w w n r j p j c n低气流速度.图分流气体对冲排气消声结构简图张永安利用一维平面波理论推导了此结构的传递矩阵,总传递矩阵由多个子结构矩阵串并联耦合而成,其中特别分析了锥形环、对冲子结构矩阵.并利用M a t l a b计算了其传递损失,得出其在高频范围内有较好的消声性能的结论,之后试验、模拟仿真与此基本一致.之后用C F D软件F l u e n t对内部流场进行了速度、压力、湍动能仿真分析,并与原消声器进行对比,得出其压力损失小,速度得到有
16、效降低,湍动小,综合性能较原消声器佳的结论.其中对冲前后速度降低了,压力损失为原消声器的 ,.苏赫针对抗性消声器排气背压和消声性能这两个矛盾的特征提出了以降低气流速度以达到更好的综合性能的思路.为便于观测研究,苏赫设计搭建了消声器试验台并进行了分析与检验,后续课题组试验研究多基于此试验台.包括气流发声装置、噪声发生装置、隔声罩.相比以往笨重的隔声墙,苏赫以粘附吸声材料的 mm厚精钢制成的隔音罩代替.依据经验公式设计了消声器后,首先建立了对冲结构的物理、数学模型,并通过数值模拟进行了对冲降速和内流场的研究,得出气流由对冲孔出来,在对冲面发生对冲,速度降到大约 m/s,转为横向加速运动,与第二对冲
17、孔出来对冲后转为横向的气流再次发生对冲,气流速度降低为零.纵向气流平均降幅达到,对冲压力损失占整体的,湍动能基本在对冲面附近,.通过建立模型的方法进行原理分析后,苏赫运用数值模拟和试验验证方法进行了进一步的研究,验证了原理分析结果,证明了分流对冲降速原理的正确性及优越性.消声单元结构参数的影响规律及结构优化张永安为便于与C G 型柴油机原装消声器作对比,确定了消声器的总容积,通过经验公式确定圆柱形筒身外腔直径 mm,长度 mm,锥形分流部分 mm;通过传递矩阵得出对冲孔越小越好的结论,同时考虑排气背压的问题,使得对冲孔总面积必须大于等于入孔面积,从而确定单一对冲孔直径为 mm;考虑排气背压、对
18、冲效果和安装方便,内腔直径确定为 mm;通过将锥角参数带入分流锥子结构矩阵,得出 锥角传递损失较高;尾管长度初设 mm,通过C F D模拟仿真方法进行压力分析确定尾管长度为 mm,.苏赫所设计消声器结构与张永安一致,结构参数有所不同,其中,苏赫圆柱形筒身取值 mm,尾管直径取值 mm,尾管长度取值 mm.以气流速度为研究对象,利用正交试验法对内腔直径、对冲孔位置、对冲孔形状和尾管过渡圆弧四个结构参数耦合寻求最优解.最终确定内腔直径 mm,对冲孔位置平均,对冲孔形状矩形,尾管过渡圆弧 mm最佳.结构模态及声振耦合特性的研究前面对分流对冲消声器的研究未考虑发动机和气流振动下对消声器这种薄壁管、大尺
19、寸结构的声振耦合作用,年高亚楠应用数值模拟、试验的方法分析了不同流速下的传递损失、插入损失,推断出气流速度高于 m/s以上时,由于气流作用,消声器结构振动产生辐射结构噪声,导致低频噪声增加.运用计算、实验模态分析方法相互认证并确定了结构模态的振型,应用模态叠加法对前期研究所得声腔、结构模态和外界振动激励进行模拟计算得到消声器声振耦合响应.研究得出发动机激振频率与结构模态第一阶固有频率接近,依据此结论对消声器的壁厚进行调整,改变结构固有频率,从而与激振频率错开,减少在低频段的辐射噪声,.结构参数多目标优化方法 年张海军分别以压力损失、插入损失、再生噪声为指标,对内腔分流单元锥角、对冲孔形状、内腔
20、直径、对冲孔中心距、对冲孔对数五个结构参数首先进行了单因素研究,然后用D e s i g n E x p e r t方法设计了试验,根据回归分析分别建立了气流速度及五个结构参数与压力损失、插入损失和再生噪声间的数学模型,分别得出压力损失、插入损失以及再生噪声与不同试验因素的二阶交互作用响应面,用以分析个因素间的相互作用.最后通过改进传统非支配排序遗传算法,对消声器进行了多目标优化,通过对优化前后的消声器进行再生噪声、插入损失和压力损失这三方面的对比,证明了其所设计的算法的正确性.分流对冲消声单元与传统抗性消声单元的分级耦合传统抗性消声器有着排气背压和消声性能相矛盾的问题,分流对冲消声单元则很好
21、的解决了这一矛盾,但其对中高频噪声有着较好的消声性能,低频消声性能一般,所以依据实际需求将传统抗性消声器与课题组所设计消声器分级耦合可达到更好的综合性能.年薛晶通过前期柴油机排气噪声测试及频谱分析得出东方红L RM 型四缸柴油机以低频噪声为主,在分析了扩张腔结构、穿孔板和穿孔管结构后,决定初始耦合一个扩张腔消声单元.由消声器容积、经验公式及课题组前期研究确定了新型消声器的基本尺寸,按两种消声单元长度比确定了种耦合模型,经传递矩阵推导、数值模拟计算和试验方法最终确定了:耦合模型最佳,同时证明了耦合后消声器综合性能良好.其中,为了更好地获得消声器的实际性能,薛晶通过燃油油耗、尾气分析的方法对比验证
22、了消声器的空气动力性能,为消声器的研究开辟了新方法、新思路.年李威将分流对冲单元与传统的穿孔管消声单元进行了分级耦合.根据以往经验确定了耦合后消声器的各结构参数,通过数值模拟办法对穿孔腔的结构参数进行了优化,并验证新消声器可以达到目标的消声、气动性能.就优化结构参数的新消声器与原消声器通过试验台试验和样机试验进行了对比,结果表明,分级耦合所得消声器综合性能较原消声器有明显提升,且目标消声频带消声性能较好.年第 期结论首先,自分流对冲消声原理提出之日起,近十年之间,课题组各位同学老师进行了各种结构的设计及优化,并进行了模拟及试验验证,验证了理论的合理性,并使得消声器结构日趋完善和合理.其次,研究
23、过程中所应用或提出的模拟方案、计算方法、数学模型等,为以后的研究提供了方法及思路.最后,因多人试验,循序渐进的推进,固然整体上有了很大的进步,但难免繁琐混乱,可进行更全面的总结性设计,做出实物,以便于未来投入生产生活中去.另外,排气消声器除消声外,还是废气流出的通道,做设计及试验时,还可以考虑例如废气污染等问题,更深度的优化分流对冲原理.最后,由于条件限制,课题组至今为止,虽然一部分论文在仿真时考虑过温度问题,但大部分研究都未考虑,试验时更是如此,然而高温高压是柴油机常用工况,所以进行温度研究,尤其是高温研究十分必要.参考文献:邵颖丽,武佩,武旭用奇异值分解技术提取单缸柴油机的排气 噪 声J噪
24、 声 与 振 动 控 制,():邵颖丽反相对冲柴油机排气消声器消声单元声学特性的研究D内蒙古农业大学,邵颖丽反相柴油机排气消声器消声性能的计算及分析J现代计算机,():邵颖丽反相对冲内燃机排气消声器消声单元消声机理的研究J现代计算机(专业版),():邵颖丽,武佩,韩宝生,等反相对冲柴油机排气消声器声学特性J内燃机学报,():赵志文单缸柴油机反相对冲排气消声器声学性能的模拟研究D内蒙古农业大学,苏赫,武佩,赵志文,等柴油机反相对冲排气消声器声 学 特 性 的 模 拟 和 试 验J内 燃 机 工 程,():宋佰高一种新型结构的分流气体对冲排气消声单元性能分析D呼和浩特:内蒙古农业大学,宋佰高,武佩
25、,马彦华,薛晶,苏赫新型分流对冲排气消声器的阻力及声学性能研究J中国科技论 文,():苏赫柴油机分流气体对冲排气消声单元气流速度分析研究D呼和浩特:内蒙古农业大学机电工程学院,苏赫,马彦华,武佩,等对冲孔对分流气体对冲消声单元压力损失的影响J内燃机学报,():霍黎明分流气体对冲排气消声器流场优化及再生噪声研究D内蒙古农业大学,苏赫,武佩,马彦华,等新型分流气体对冲排气消声器气流 特 性 仿 真 J内 燃 机 学 报,():邵颖丽,侯占峰,赵志文,武佩柴油机排气消声器发展近况J农机化研究,():W uP,S h a oY,M aY,e ta l D e v e l o p m e n to fa
26、d i e s e le n g i n em u f f l e ru s i n gm i x i n go fo u t o f p h a s es p l i te x h a u s t s t r e a m sJN o i s eC o n t r o lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l,():霍黎明,武佩,张永安,等拖拉机分流气体对冲排声单元压力损失的影响J内燃机学报,():张永安,马彦华,武佩,等一种特殊结构消声单元的声学性能预测与分析J内燃机学报,():霍黎明,武佩,张永安,薛晶,马彦华拖拉机分流气体对冲排气消声器压力损失的研究J农机化
27、研究,():张永安分流气体对冲消声结构声学特性的理论分析与试验研究D呼和浩特:内蒙古农业大学机电工程学院,霍黎明,武佩,苏赫,范秀琴,张永安,马彦华分流气体对冲消声器内流场及再生噪声分析J噪声与振动控制,():高亚楠气流对分流气体对冲排气消声器消声性能及结构特性的影响D内蒙古农业大学,高亚楠,武佩,苏赫,薛晶,张海军拖拉机分流气体对冲排气消声器声振耦合特性分析J农机化研究,():张海军,苏赫,武佩,张永安,薛晶分流气体对冲排气消声器压力损失模型研究J内燃机学报,():薛晶,刘朋飞,马彦华,佟鑫,宋佰高拖拉机排气消声器对冲结构的设计 基于气流反相对冲原理J农机化研究,():薛晶基于分流气体对冲原理的柴油机排气消声器分级耦合研究D内蒙古农业大学,
