基于氣流反相對沖原理的排氣消聲器結(jié)構(gòu)的設計.doc

基于氣流反相對沖原理的排氣消聲器對沖結(jié)構(gòu)的設計 設 計 者： 劉朋飛 指 導 老 師： 薛晶二零一四年六月十八日內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院基于氣流反相對沖原理的排氣消聲器設計一 前言噪聲污染主要來自于道路上行駛的汽車，而其根本源頭是汽車發(fā)動機，拿柴油機為例，其噪聲一般分為機械噪聲，燃燒噪聲和空氣動力性噪聲，排氣噪聲在發(fā)動機整機噪聲中占主導地位，在單缸柴油機的噪聲源中排在前3位的分別是排氣噪聲，齒輪室蓋和油底殼，分別占總噪聲功率的49%，12%和4%，排氣噪聲最為突出，約占整機聲功率的一半。排氣噪聲主要是在排氣開始時廢氣以脈沖形式從排氣門間隙排除，并迅速從排氣口進入大氣，所形成的能量很高頻率復雜的噪聲。而隨著柴油機開始在國內(nèi)小型乘用車上的增多和普及，設計一種可以有效降低柴油機噪聲的消聲器就顯得很有必要，這對降低噪聲污染具有著重要的社會意義和價值。本文對之前有人提出過的基于氣流反相對沖原理排氣消聲器進行了研究分析，并且設計一種可以實現(xiàn)讓汽車尾氣進行對沖消聲的一種對沖的消聲器結(jié)構(gòu)。二 反相對沖結(jié)構(gòu)的設計基于氣流反相對沖原理降低氣體流速，從而達到消聲的目的。反相對沖消聲單元，即可以讓發(fā)動機排出的廢氣實現(xiàn)對沖的結(jié)構(gòu)，從而使氣體流速降低。本課題突出了幾種反相對沖結(jié)構(gòu)的設計與分析，設計1三維圖如圖1所示：圖1圖1所示的是筆者自己設計的一種對沖結(jié)構(gòu)。發(fā)動機的尾氣從C進入對沖結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)中間隔板分隔被分到上下兩支路，如圖1中B，經(jīng)過支路后在D處匯合并進行對沖，通過A流出第一對沖單元并緊接著進入第二對沖單元。第一，第二，第三對沖單元是同樣的三個對沖單元串聯(lián)在一起形成總對沖結(jié)構(gòu)，氣流每經(jīng)過一次對沖，流速就降低一定值，并消耗氣流部分能量，經(jīng)過三次對沖后，氣流的速度明顯的降低，已知氣流的再生噪聲與氣流流速的六次方成正比，當流速降下來后，再生噪聲就會明顯的降低，從而達到了消聲的效果。筆者用fluent對所設計的結(jié)構(gòu)進行了模擬實驗，結(jié)果如圖2所示：圖2圖2中左邊是速度色條，紅色表示速度最高，藍色表示速度最低。由模擬的實驗結(jié)果可以看出，氣流在出口處管道的中間速度增大，而距離管道壁一定距離的范圍內(nèi)速度是減小的，但隨著出口管長度的增加，發(fā)現(xiàn)速度也在呈降低趨勢，這說明筆者所設計的對沖結(jié)構(gòu)可以起到一定降低氣流速度的效果。分析出口管道中間氣流速度增加的可能的原因：1 氣流在D處相遇并對沖時形成了渦流，使得氣流速度增加；2 所設計的對沖結(jié)構(gòu)尺寸上可能不合理，D處的對沖彎管可能太短；3 用fluent軟件做模擬實驗時所采用的實驗參數(shù)誤差比較大。三 針對設計1對沖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化筆者根據(jù)前面提到設計1存在的缺點，對其進行了改良優(yōu)化，設計2如圖3所示：C圖3圖3所示的是對設計1進行改進后的對沖結(jié)構(gòu)，與設計1相比，設計2的優(yōu)點在于B結(jié)構(gòu)。A是進氣口，B是一個錐形放大結(jié)構(gòu)，可以使從A進來的氣體進行擴張，氣體突然的擴張會在一定程度上減小氣流的速度，即擴張本省就有降低氣流速度的作用。氣流經(jīng)過B擴張后被錐形進氣口彎管均分成上下兩支路D，然后通過出口彎管E進行對沖，由F流出。設計2的另一個優(yōu)點是出口彎管的長度比設計1要長，這樣可以讓上下兩支路的氣流進行充分的對沖，起到更好的對沖效果。由于時間原因，筆者不再對設計2進行fluent模擬實驗。四 針對設計2對沖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計2的對沖性能能否達到預期效果還有待實驗檢測，但是設計2的加工存在比較大的困難。鑒于此原因，筆者對設計2又一次進行了改進，設計3如圖4所示： 圖4圖4是對設計2改進后的對沖結(jié)構(gòu)，與設計2相同的是設計3中D支管的橫截面積與進氣管B的橫截面積是相同的，即氣流進入對沖結(jié)構(gòu)后在被均分成兩份時就進行了兩次擴張，這會有效的降低氣流速度。不同于設計2的地方是兩個支管變成了圓柱形，而非設計2中的半圓柱形。圓柱形的設計加工要比半圓柱形容易，而且設計3在氣流對沖之前的兩次擴張比設計2的一次擴張效果更好，三段對沖單元串聯(lián)時的接口通用性更好，同樣由于時間原因，筆者沒來得及對設計3進行fluent的模擬實驗，在以后的研究學習中，筆者會對設計2和3進行模擬實驗及實物實驗。五 課題小結(jié)本課題根據(jù)內(nèi)燃機傳統(tǒng)消聲器低頻消聲性能差、排氣阻力大，功率損耗嚴重的特點，提出了一種反相對沖結(jié)構(gòu)的新型消聲器，其消聲原理就是利用聲波反相相抵消的作用來降低排氣噪聲中起主導因素的低頻成分；利用氣流對沖流速降低，從而減小氣流再生噪聲的原理，降低其他頻帶下的噪聲。由于在結(jié)構(gòu)上沒有采取開小孔的穿孔板，再加上氣流流速降低及氣流從入口至出口通流面積均沒有減小，因此排氣阻力降低。建立了反相對沖消聲原件的結(jié)構(gòu)模型，并利用fluent軟件對模型進行了模擬分析，為基于該原理的新型消聲器的設計做了一些輔助幫助。六 本課題的創(chuàng)新點（1）針對傳統(tǒng)內(nèi)燃機排氣消聲器低頻消聲性能差，排氣阻力大的問題，提出了反相對沖型結(jié)構(gòu)的新型消聲器，即利用進氣從消聲單元入口進入后，被分成兩股大小相同、速度相反的氣流，當兩股氣流在管道中心相遇時，空氣質(zhì)點互相碰撞而速度抵消。（2）利用聲波的自身相抵消消除低頻噪聲；利用氣流對沖流速降低，降低氣流再生噪聲及減小排氣阻力。（3）基于氣流反相對沖原理的消聲單元在結(jié)構(gòu)式采取錐面導流，且采用較大的圓形孔，這與傳統(tǒng)消聲單元中穿孔管或穿孔板所采用的小孔相比，本身氣流阻力較低。（4）根據(jù)對沖的原理，提出幾種對沖結(jié)構(gòu)并對其中一種進行了模擬仿真，為結(jié)構(gòu)的合理性作了基礎驗證。七 本課題的不足之處 由于課題難度大，時間緊只是提出幾種對沖結(jié)構(gòu)，并從理論上分析評價了反相對沖消聲單元的阻力特性，只是用fluent進行了模擬分析，沒有進行真實的相關實驗驗證，成為本設計的不足之處。八 本課題的展望本課題基于傳統(tǒng)柴油機排氣消聲特點而設計的，解決了傳統(tǒng)消