发动机进气系统声学预测及流动分析.pdf

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1、28内燃机与配件2014年第11期发动机进气系统声学预测及流动分析AcousticsForecastandFlowAnalysisofAirIntakeSystem赵伟(浙江恒勃汽摩部件有限公司)[摘要]利用AVL_BOOST软件对某空滤器声学特性进行了仿真计算。建立了一台4缸4冲程自然吸气汽油机模型，分别计算并比较了安装该空滤器前后发动机的进气噪声，提取了其2阶、4阶、6阶成分。针对不同转速、不同阶次成分的噪声值，设计赫姆霍兹谐振腔及1／4波长管，优化之后的发动机进气噪声得到明显的降低，消声效果尤为显著。利用Fluent软件仿真计算声学优化前后进气系统的流场分

2、布，分析比较两者的流动特性与压降等，发现经声学优化后的进气系统亦能保证良好的进气性能。[关键词]线性声学阶次噪声流动特性压降引言随着日趋严重的城市噪声污染以及人们对“环保舒适”生活理念的强烈追求，汽车发动机噪声已经成为评价汽车优劣等级的重要指标之一。进气系统，作为发动机最为重要的组成部分之一，其产生的气动噪声，在发动机诸多噪声源中占有不可忽视的比例。目前最简单、最有效的进气噪声控制手段就是安装消声元件。空滤器系统是内燃机进气系统的重要组成部分，它提供气缸内燃料燃烧所必需的清洁空气，除此以外进气系统的声学特性也是结构设计中重要指标之一，其声学特性的计算主要有一维线

3、性管道声学法、有限元法和边界元法等数值模拟方法。本文主要针对某空滤器，利用一维软件AVL—BOOST中SurfaceImport模块建模，并利用Lea．nerAcoustics进行数值模拟；在BOOST中建立某汽油机模型，利用CycleSimulation分别计算安装该空滤器前后进气口处声压级；通过对比，分析该汽油机进气噪声阶次成分，设计赫姆霍兹谐振腔，以有效降低噪声中的显著阶次成分。消声元件和系统的消声效果通常有三个评价指标：传递损失、插人损失和声压级差值，工程上通常将插人损失作为更直观、具体的表征元件声学特性的指标。对于在管道中流动的问题，通常情况下将其一维

4、简化，利用如下3个基本方程进行描述，分别被称作质量守恒方程(连续性方程)、动量守恒方程以及能量守恒方程，对管道中的流体流动进行描述：质量守恒方程：粤+华：o(1)动量守恒方程：窆≥+笔》=一砒000'17+^(2)oXox能量守恒方程：掣+警=g(3)式中，P表示流体密度；U。表示流体流动速率；P表示流体压力；h表示单位质量流体的焓；，；表示流体在管道中流动所受到的摩擦力；q表示流体在管道中流动，相互间的传热量。在汽车发动机进气系统中，进气口到节气门间的管道内，气体相对稳定平均流场的脉动幅度控制在1％内。因此对其流动问题进行线性化处理，即可到处管道内声学波动方程

5、：‘了1i0+Ma0积)2P2器(4)式中，Ma为马赫数；C为声波传播速度。根据非线性化问题的线性化简化处理之后，对进气管道的声学问题即可用线性矩阵建立数学％，写，护蜓w一析一一分一一品一一产一见w秘；≮啦赵伟：发动机进气系统声学预测及流动分析模型：盱[Z挑：)㈣式中，P表征声波传递压力，即声压；q即截止单位体积流量；矩阵T即传递矩阵。1一维线性声学模型一维线性声学仿真软件AVL—BOOST是AVL—WorkSpace中的一个模块，它包含了发动机整机的建模功能，其中也含有空气滤清器、排气消声器等功能元件，其消声器元件内全面含有扩张室、共振腔来降低低频噪声，穿孔管

6、及吸声材料来降低高频带噪声。利用LeanerAcoustics主要针对模型进行一维线性声学计算，适用于管道声学特性的计算，模型的建立可以在BOOST环境中自行建立，亦可以通过SurfaceImpoa模块，导人封闭的面网格模型，进行必要的Split操作，分别对切割出的各部分进行合理的ComponentDefinition，自动生成AVL—BOOST软件模型，模型中的管道尺寸等参数，软件会根据导入前的面网格模型自动识别生成，而不需另行设置，模型生成后便可模拟计算，图1所示为某空滤器模型：图1一I，空滤器I⋯(一I模型2进气噪声提取进气系统噪声从本质及成因上讲与燃烧过

7、程有密切关系，故其噪声频谱与发动机转速有着直接关系。因此为能更深入、本质地研究进气噪声，有必要对其进行频谱阶次分析，以此判断进气噪声频率与发动机转速、阶次的关系，提取噪声峰值处的发动机转速与阶次，并作为下阶段消声优化设计的依据。文献[2]中给出定义：曲轴旋转对应的频率为基频，也就是1阶，基频的n倍称为n阶，频率与其它变量符合如下数学关系：nr；f=炭(凡=1，2，3⋯)(6)UU’l式中，n为提取阶次；r为发动机转速；i为发动机气缸数；下为冲程数。在AVL—BOOST建模环境中，根据软件所提供的汽油机实例，建立了一个4缸4冲程自然吸气汽油机模型，同时，为了分析该

8、空滤器对发动机进气系统的