基于GT-POWER的排气消声器数值仿真设计

刘保林

摘 要：运用GT-POWER软件模拟简单膨胀腔的传递损失与三维声边界元法的计算结果相比较证明该方法的可靠性;利用该方法设计了某型柴油机排气消声器，将改型柴油机噪声降低了3.8dB（A）。

关键词：GT-POWER;排气;消声器;仿真设计

国内外研究表明，排气噪声是发动机的主要噪声源之一，消声器是降低发动机排气噪声的重要部件，其性能好坏直接影响发动机的噪声大小和功率损耗。本文主要叙述如何运用GT-POWER对的排气消声器数值进行仿真设计。

1 消声器的主要评价指标

（1）传递损失：即消声器进口处的入射声功率级和出口处的透射声功率级之差。

（2）插入损失：定义为安装消声器前后在某固定测点处测得的计数声级或总声压值之差。由于插入损失便于现场测量，非常实用。在测量未安装消声器的排气噪声时应在排气管口加装一段与消声器等长的空管，以保证在安装消声器前后测点不变。

（3）功率损失比： 内燃机在标定工况下不安装消声器时的功率与安装消声器时的功率之差和不安装消声器时功率的百分比。

2 某型原消声器结构分析

原消声器结构如图1所示，采用单腔加两段穿孔管、一块穿孔隔板结构，容积比为3.2，扩张比为8.3。从结构上分析，原件的设计存在以下不合理的地方：

（1）容积小，空间利用不足。容积比、扩张比都较小，而消声量很大程度上取决于这两个参数。

（2）采用穿孔管和穿孔板结构：穿孔声学元件的降噪量主要与穿孔率、小孔孔径有关。穿孔率越小、孔径越小，消声量越大。但穿孔率过小、气流的流动阻力损失则越大，功率损失亦大，经济性能变差。因此，要提高消声量必须减小孔径， 要降低排气阻力又必须增大通流截面系数，该消声器这两项难以同时满足，我们认为在这种情况下采用小孔喷注结构是不理想的。

3 新消声器的设计

传统的消声器设计法存在着不足：实验周期长，人力物力消耗严重但仍不能取得好的效果，不能适应企业开发周期最小化的需要。随着计算机软件技术的发展，发动机性能仿真技术也得到了快速发展并逐渐成熟。GT-POWER就是其中优秀的仿真软件之一，它的使用大大缩短了产品的开发周期，提高了企业的竞争力。

GT—POWER所应用的是一维流体假设的动力学模型，它综合了发动机性能的分析代码，并几乎包含了发动机所有关键工况的细节模型，可以较完整地模拟发动机不同工况的性能变化。整个系统被划分为许多小的控制单元体，单元体上又划分成许多相互交错的网格。也就是说所有的标量都以单元体的中心为计算标准，而所有的向量皆以单元体的边缘为计算标准。形状各异的气体通道皆可转化为功能相当的标准管件，最后形成发动机的管网化的模型，对发动机进行仿真。

消声器内部穿孔管的存在使消声器管网化具有相当大的难度和复杂性，不过GT—POWER拥有专门的消声器设计系统，使复杂问题简单化。GT—POWER拥有用于设计消声器壳体外形的二维图，可以对消声器的前端及后端流通平面的形状进行设计，在消声器壳体中填充管子和其他部件生成完整的消声器。

设计步骤如下：

3.1 前处理建模

GTPOWER提供了一个包含消声器零件库的二维绘图区（如图2），零件库包括：隔板、消声器壳体、直管、弯管、穿孔管、穿孔板等，使消声器的制作十分的便捷。设计者可以根据两个视角，方便地按工程图的方式填充零件。绘制完二维图后可以把模型直接转化为三维图（图3），并可以用方向键对三维图进行旋转等操作，由于壳体是透明的，设计者可以清晰地比较是不是自己所希望的内部布置，并可回到二维加以改正。

3.2 生成网管模型

把设计的二维消声器模型网管化，设计完二维模型后，将其转化为*.dat件并在GT—ISE中导人便可生成连通的网管，这就是GT— POWER所需要的网管模型。在GT—ISE中添加声源和传递损失的测试系统，设置好计算参数后，软件便可运行，计算所设计消声器的传递损失。

3.3 后处理

GT的后處理模块GT-POST有很强的后处理功能，可以调出GT—ISE的计算结果，方便地对消声器传递损失进行宽频带的比较，

导出计算结果等。

4 新型消声器的设计方案

根据不安装排气消声器时的排气频谱特性，对不同的消声元件进行组合，同时优化尺寸参数后，利用GT计算不同方案消声器的传递损失，选出仿真结果最好的两种方案：甲、乙（如图4、图5）。

与原件相比，新方案在结构上主要做了如下改进：

（1）扩大容积，增大了容积比和扩张比。对结构形式相同、不同容积的消声器进行的仿真结果表明，增大容积后消声效果明显增大。

（2）增加腔数，甲采用三腔结构，乙采用两个腔。理论计算及仿真结果均表明，多腔结构可以在更宽的频带内获得理想的消声效果。

（3）采用内插管，一方面在消声频带内增大了消声量，同时可以在两个通过频率中消除一个;另一方面将穿孔管和穿孔板改成内插管，消声器的气流流动局部阻力损失中减少了气流穿过小孔造成的阻力损失，而消声器的沿程阻力损失变化不大，因而消声器总的气流流动阻力损失有所下降。

（4）动态试验：我们制作了甲乙两只新的消声器，进行了柴油机的台架试验。在同一台柴油机上分别装上原消声器及两种新消声器，测试消声器口的A计权声压级，并记录发动机油耗。测试时保证发动机在标定工况下运行，保证油温水温一直不变。测试结果如表1所示。

由表中数据可以得出，甲乙两种消声器插入损失大于原消声器，消声效果均比原件好的多，但乙的油耗并没有增加，发动机功率损失小，因此综合考虑乙消声器是更好的选择。

5 总结

（1）GT-POWER软件的仿真结果与一维平面波的解析结果吻合度极高，与三维有限元计算结果符合性良好，因此GT-POWER的计算结果可信。

（2）利用流体动力学分析的仿真结果和实验数据十分接近，进一步验证了该方法的可靠性。

（3）本文设计了两种消声器，用GT-POWER仿真计算实际噪声均低于原消声器，台架试验表明新设计的消声器具有较好的消声性能，其中乙消声器在油耗不增加的基础上，排气噪声降低了3.8dB（A）。

参考文献：

[1]刘宇.基于GT-power的汽油机仿真及优化设计[D].长春：吉林大学汽车工程学院，2006.

[2]毕嵘.汽车进排气消声器性能的数值仿真研究[E].合肥：合肥工业大学噪声振动工程研究所，2007.