排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能與流動(dòng)性能的理論研究.pdf

1、排氣系統(tǒng)不僅要衰減發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲，還要具有良好的流動(dòng)性能，因此聲學(xué)性能與空氣動(dòng)力學(xué)性能是排氣系統(tǒng)最主要的性能指標(biāo)。本文主要研究橢圓消聲器以及催化器的聲學(xué)性能及流動(dòng)性能。 本文的主要工作可以概括為以下幾個(gè)方面： 1)文中利用聲學(xué)邊界元研究消聲器內(nèi)部管道修正問題，并分別分析有內(nèi)插管和無內(nèi)插管時(shí)簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔的傳遞損失。如果管端修正值過小，會(huì)使當(dāng)量長(zhǎng)度超過理論長(zhǎng)度(擴(kuò)張腔長(zhǎng)度的1/2或1/4)，結(jié)果使峰值向左(低頻)移動(dòng)，減弱消

2、除通過頻率的效果；如果修正值過大，會(huì)使當(dāng)量長(zhǎng)度短于理論長(zhǎng)度(擴(kuò)張腔長(zhǎng)度的1/2或1/4)，結(jié)果使峰值向右(高頻)移動(dòng)，同樣會(huì)減弱消除通過頻率的效果。結(jié)合上面的規(guī)律，將一維平面波理論計(jì)算出來的傳遞損失與邊界元法計(jì)算出來的傳遞損失對(duì)比，可以用來求修正系數(shù)。利用該方法求出本課題所研究消聲器管端修正值為0.4r，而且該方法可以分析其它消聲器的管端修正。 2)對(duì)一復(fù)雜三腔消聲器進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)分析，利用CFD計(jì)算出消聲器內(nèi)部的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)。

3、三維流線圖清晰地顯示各腔內(nèi)的渦流情況，總壓圖反映出各腔對(duì)消聲器總的壓力損失的貢獻(xiàn)量。文中還利用虛擬正交法研究導(dǎo)流管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器壓力損失和消聲量的影響。正交虛擬試驗(yàn)表明，導(dǎo)流管半徑對(duì)壓力損失和消聲量影響最大。導(dǎo)流管半徑半徑越大，壓力損失越小，消聲量越小。導(dǎo)流管母線弧度對(duì)壓力損失和消聲量影響比較小，但是對(duì)出口管影響相對(duì)較大。另外半導(dǎo)流管與全導(dǎo)流管對(duì)聲學(xué)性能的影響差別不大。 3)本文研究橢圓柱腔內(nèi)的聲傳播時(shí)，針對(duì)橢圓腔的情況，引

4、入橢圓雙曲柱坐標(biāo)系。利用分離變量法，先后分離出時(shí)間和軸向變量，得到橢圓截面上的微分方程。再次利用分離變量法，還可以分離出關(guān)于角向變量的馬丟方程和關(guān)于徑向變量的虛宗量馬丟方程。馬丟方程的解可以用奇馬丟函數(shù)和偶馬丟函數(shù)來表示。利用邊界條件可以推導(dǎo)出橢圓截面內(nèi)聲傳播的特征值，它分為奇、偶兩類特征值，同時(shí)對(duì)應(yīng)奇、偶兩類特征頻率。利用點(diǎn)源激勵(lì)法推導(dǎo)出橢圓雙曲柱坐標(biāo)系下的傳遞損失公式。利用該傳遞損失公式，分析橢圓離心率、軸向長(zhǎng)度對(duì)典型擴(kuò)張腔以及反射

5、腔傳遞損失的影響。同樣截面積的橢圓，離心率越大，截止頻率越小。橢圓截面與圓截面相比，截面模態(tài)多，從而導(dǎo)致中低頻通過頻率增多。當(dāng)進(jìn)、出口，其中一個(gè)沿長(zhǎng)軸移動(dòng)到(2，1，0)偶模波節(jié)線上，另外一個(gè)沿短軸移動(dòng)到(0，2，1)偶模波節(jié)線上，那么可以消除(4，1，0)模態(tài)頻率以內(nèi)所有截面模態(tài)產(chǎn)生的通過頻率。對(duì)于本課題所研究的同軸消聲器，當(dāng)橢圓腔中同時(shí)擁有L/2內(nèi)插管和L/4內(nèi)插管時(shí)，至少消除前兩階軸向頻率。 4)利用CFD研究催化器內(nèi)的壓

6、力分布，表明催化器內(nèi)的壓力損失主要集中在載體。催化器起燃過程中，隨著催化器溫度的升高，壓力損失也隨之增加。 5)催化器載體的聲傳播可以看成是微孔的聲傳播問題。本文特別研究圓形微孔和矩形微孔內(nèi)的聲傳播，通過對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)如果低剪切波數(shù)時(shí)傳播常數(shù)相等，那么圓形微孔可以代替矩形微孔。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)有氣流時(shí)微孔管內(nèi)的聲傳播，通過化簡(jiǎn)分離，最終轉(zhuǎn)化為計(jì)算Kummer方程，而該方程的解可以用合流超線幾何函數(shù)來表示。為計(jì)算催化器內(nèi)的聲學(xué)性能

7、，這里結(jié)合復(fù)聲密度和復(fù)壓縮系數(shù)的概念，求出當(dāng)量聲密度和當(dāng)量聲速。這樣就可以利用聲學(xué)有限元來分析催化器載體結(jié)構(gòu)參數(shù)、溫度和氣流速度對(duì)催化器傳遞損失的影響。載體的存在不僅消除一些通過頻率，而且能保持一定的中高頻衰減性能。孔隙率越小，越能提高衰減性能。溫度升高，傳遞損失也隨之升高。氣流的存在使中高頻衰減性能降低，但對(duì)低頻的影響不顯著。 本文對(duì)管端修正以及橢圓消聲器的基礎(chǔ)研究，對(duì)橢圓腔消聲器的設(shè)計(jì)提供必要的理論指導(dǎo)；利用聲學(xué)有限元研究催