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CAE辅助发动机排气消声器设计 |
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作者：高宏阁 程晓鸣 景亚兵 魏伟 来源：e-works |
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一、前言
发动机排气消声器(以下简称消声器)设计一般步骤是：
设计消声器内部结构的传统方法主要是声传递矩阵法，它是利用如扩张腔、穿孔管、穿孔板、内插管等等典型的单元声学特性设计抗性消声器，如果再结合吸声材料的吸声特性还可设计阻性或阻抗复合式消声器，最后靠实验检验实际效果；当然还有很大一部分发动机生产厂家在匹配消声器时是直接参考国外或国内类似排量发动机配套的成熟消声器。
总之，由于缺少有效的分析工具辅助设计人员开展工作，往往造成设计周期漫长，实验投入巨大，致使大量的人力、物力、财力浪费；而随着LMS.Sysnoise、Gt-suite、Star-CD等众多CAE/CFD软件的方兴未艾，消声器设计变得可以数字化、可视化，大大缩短了消声器的设计周期，减少了成本投入。
二、消声器计算
2.1、消声器计算内容主要包括：
空气动力学特性计算，即计算消声器的阻力特性，它反映了消声器对发动机功率损耗的优劣
声学性能计算，即传递损失计算或插入损失计算，它反映了消声器本身对不同频率噪声的衰减能力
2.1.1、空气动力学特性计算
计算消声器的空气动力学特性使用如Star-CD等CFD软件十分方便，下面以Star-CD软件为例，计算一个简单消声器空气动力学特性。
由于待分析的消声器具有对称性，所以只取其中一半作为分析对象。Star-CD优秀的网格划分功能可以Trim出多数的六面体网格，如图1所示。
利用Star-CD软件能够获得消声器内流场的所有流动信息，实现可视化，对于不理想的结构消声器设计工程师能迅速作出调整，最终设计出具有良好空气动力性能的消声器内部结构。
2.1.2、声学性能计算
消声器声学性能评价可以使用传递损失TL或插入损失IL两种方法，TL的特点是直接反应消声器本身的传递特性，易于计算，因此本文只介绍传递损失计算。
Sysnoise是LMS公司开发的一套三维声场计算软件，它使用有限元、边界元算法，可以获得模型的声模态、声压、声强或声功率等等，功能比较强大，用于计算消声器传递损失十分方便。
下面是一个消声器传递损失计算实例，采用直接边界元法计算
由图5可知，Sysnoise计算出的传递损失结果与试验结果吻合度较好，可见利用CAE在设计过程中代替实验是可行的，最终把设计好的消声器方案进行一次实验验证即可。
Gt-suite是美国Gamma Technologies公司开发的一款发动机性能模拟软件包，其中muffler模块是专门用于消声器设计的前处理模块，它可以建立复杂的三维消声器模型，通过与其它模块联合计算也可以得到消声器的传递损失或插入损失，这里本文仍以传递损失为例。
图6 muffler模块生成的消声器3D模型
图7 消声器离散后的计算模型
其中红圈区域即为传递损失计算子模块。
图8 Gt－suite计算的传递损失结果
Gt-suite软件计算消声器传递损失十分快捷，相比Sysnoise而言不需要建立复杂的网格文件，但它计算的频段比较窄，精度也不是特别高，所以可以把它作为在设计初期确定消声器内部结构基本形式的CAE工具。
三、结论
CAE软件尽管功能强大但终归还是工具，消声器设计工程师始终要着眼设计，只有设计好结构再利用CAE优化，才能高效、快速、低成本的设计出性能优良的消声器。(end)
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(11/20/2007) |
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