理工学院毕业设计(论文)外文资料翻译专业：热能与动力工程姓名：赵海潮学号：09L0504133外文出处：Applied Acoustics, 2010(71):701~707附件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。

附件1：外文资料翻译译文基于一维CFD模型下汽车排气消声器的实验研究与预测Takeshi Yasuda, Chaoqun Wua, Noritoshi Nakagawa, Kazuteru Nagamura摘要目前，利用实验和数值分析法对商用汽车消声器在宽开口喉部加速状态下的排气噪声进行了研究。

在加热工况下发动机转速从1000转/分钟加速到6000转/分钟需要30秒。

假定其排气消声器的瞬时声学特性符合一维计算流体力学模型。

为了验证模拟仿真的结果，我们在符合日本工业标准（JIS D 1616）的消声室内测量了排气消声器的瞬态声学特性，结果发现在二阶发动机转速频率下仿真结果和实验结果非常吻合。

但在发动机高阶转速下（从5000到6000转每分钟的四阶转速，从4200到6000转每分钟的六阶转速这样的高转速范围内），计算结果和实验结果出现了较大差异。

根据结果分析，差异的产生是由于在模拟仿真中忽略了流动噪声的影响。

为了满足市场需求，研究者在一维计算流体力学模型的基础上提出了一个具有可靠准确度的简化模型，相对标准化模型而言该模型能节省超过90％的执行时间。

关键字消声器排气噪声优化设计瞬态声学性能1 引言汽车排气消声器广泛用于减小汽车发动机及汽车其他主要部位产生的噪声。

一般而言，消声器的设计应该满足以下两个条件：（1）能够衰减高频噪声，这是消声器的最基本要求。

排气消声器应该有特定的消声频率范围，尤其是低频率范围，因为我们都知道大部分的噪声被限制在发动机的转动频率和它的前几阶范围内。

（2）最小背压，背压代表施加在发动机排气消声器上额外的静压力。

最小背压应该保持在最低限度内，因为大的背压会降低容积效率和提高耗油量。

对消声器而言，这两个重要的设计要求往往是互相冲突的。

对于给定的消声器，利用实验的方法，根据距离尾管500毫米且与尾管轴向成45°处声压等级相近的排气噪声来评估其噪声衰减性能，利用压力传感器可以很容易地检测背压。

近几十年来，在预测排气噪声方面广泛应用的方法有：传递矩阵法、有限元法、边界元法和计算流体力学法。

其中最常用的方法是传递矩阵法（也叫四端网络法）。

该方法基于声波在管道中的一维线性传播，其中的单个元素（如：管道、间断点、分支）与电子滤波器理论中的相似。

在频域范围内通过这种方法可以计算出简单消声器的噪声衰减。

但是这种方法有以下几点不足：（1）它仅能用于假想的线性波传播模型下；（2）用这种方法不能计算背压；（3）它不能预测消声器的瞬态声学性能。

用边界元法可以预测任何给定几何性质的抗性消声器的噪声衰减性能，这种方法显然不再局限于一维平面波理论。

Ji等人通过研究发现：利用边界元法预测得到的结果与利用三维模型对一些消声器的实验分析得到的结果非常相近。

Middelberg等人成功地利用三维CFD模型估算出了那种膨胀室有一系列进出口收缩扩张变化的消声器的声学性能和平均流量。

Yumex公司利用三维CFD和三维边界元法相结合的方法来预测商用汽车消声器的噪声。

Barbieri 和Barbieri采用有限元法预测消声器的消声性能。

虽然有限元法、边界元法和计算流体力学法可以获得比较精确的结果，但是这些方法执行起来耗时太长，因此我们只能寻求其他可行的替代方法。

在声学领域里，尖锐度、响度、粗糙度和波动强度是评价声音质量的常用指标。

在汽车行业中不仅要考虑以上参数，还应该考虑在汽车加速状态下的性能表现。

比如当发动机加速时，为了使乘车者感觉舒适，排气噪声应该随着发动机转速的变化而平缓线性的变化。

因此，在设计阶段评估消声器的瞬态声学特性是非常必要的。

本论文的目的是利用一维CFD模型和实验的方法研究一个典型的商业消声器的瞬时声学特性，进而开发出一个简化的、精度上允许且能够满足市场需求的优化设计模型。

2 基本理论2.1 流动基本方程在本研究中利用一维计算流体力学的方法解决流动问题。

整个系统包括发动机系统被分割成了许多空间，每个分流用一个单独的空间表示，每个管道被分割成一个或多个与边界相连的空间。

假设每个空间内的标准变量（压力、温度、质量、密度、内能、浓度）都是统一的。

矢量变量（质量流量、速度、质量通量）适用于每个边界。

该流动模型包括了能量守恒方程、动量守恒方程和连续性方程并进行联立求解。

这些等式仅限于一维模型下，即所有的量都是沿流动方向均匀分布的。

该解决方案主要变量是质量流量、密度和总内能。

应当指出的是排气系统中气体的温度大致随与距离发动机距离的变化而变化。

因此排气系统中气体的温度并不是一个参数。

当利用能量守恒方程和焓方程计算气体温度时，应该考虑气体与消声器以及消声器与外界环境之间的热交换。

连续性方程:∑=边界m dt dm （1） 能量守恒方程：）（壁面气体边界T T A H m dt dv dt me d --+=∑s h )()( ρ （2） 焓方程：）（）（壁面气体边界T T H dt dp V dt HV d --+=∑s hA m )( ρ （3） 动量守恒方程：dx A C D dxA C A d dt m d p ∑--+=边界）（224H m f μρμμρμρ （4）公式中m，m ，V ，p,ρ,A ,s A ,e,H,h,gas T ,wall T ,μ,f C ,p C ,D ,dx ，dp 分别代表边界质量流量，空间质量，体积，压力，气体密度，低压面面积，传热面面积，单位质量总内能（内能加动能），总焓值，传热系数，气体温度，壁面温度，边界速度，表面摩擦系数，压力损失系数，当量直径，质量单元沿流动方向的长度（离散长度），压力差的微分。

需要指出的是m 等于Au ρ，H 等于ρpe +。

2.2 排气噪声根据前面四个方程式可以求出消声器的背压和尾气的出口流速。

对于排气噪声的计算则没有确切的公式。

但是在自由场中，从排气管中排出的气体体积相对整个空间而言是可以忽略不计的。

排气管排气体积可以视为排气管体积的一个变量。

因此，可以用单极方程式来计算排气噪声。

应当指出的是这种方法仅在距排气管一定直径距离的自由场中的声压等级下才适用。

因此，在自由场中扩音器处的声压是通过把孔视为一个简单的脉动单极来计算的，并且单极处的速度可以通过以下方程转换成自由场中任何位置处的压力。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-=t r t u dt d r AP πρ22 (5) 公式中t c u r A P ,,,,,,ρ分别表示声压、空气密度、尾管横截面积、扩音器距尾管的距离、气体的瞬时出口流速、声音在自由场中的速度和时间。

3 实验装置和方法图1 实验装置示意图实验装置的示意图如图1所示。

实验中使用了一个包含1500毫升内联四缸发动机的发动机试验台和用来测定发动机负载的功率计。

发动机的驾驶状态由控制系统控制。

沿排气系统的气体温度、壁面温度和气体压力分别由温度传感器和压力传感器检测并由数据记录仪记录。

为了避免反射声波和设备噪声的干扰，消声室内只设置一个传声器和消声器样本。

所有其他的实验设备放置在消声室外面。

依据日本工业标准JIS D 1616，在排气尾管轴向45°的500毫米处用传声器（B&K Type 4190）测量排气噪声。

在加热工况和宽开口喉部加速状态下，发动机转速从600转/分钟加速到6000转/分钟需要30秒。

当有效频率高于六阶转动频率时，排气噪声的声压等级非常低。

只有在二阶转速、四阶转速和六阶转速下才能记录排气噪声。

4 一维理论下的排气噪声模拟在目前的研究中，利用一维理论分析标准商用汽车消声器的排气噪声模拟。

图2所示的是一个商业汽车消声器的原理结构图。

它由三个排气尾管以及由两个隔板分开的三个室组成。

为了正确建立消声器的模型，需要充分了解消声器每个声学部件的功能。

消声器中的几个声学部件分别为分流孔、扩面管谐振器、吸收材料、膨胀室和亥姆霍兹共振腔。

图2 消声器样本原理图图2中1室和管1上有很大的分流孔，其设计目的是为了在工作频率范围内能打破排气管的谐振状态。

管1上的穿孔管是为了防止流量分离和由于急剧间断产生的过度涡流，进而可以减少流量产生的噪声和压降流产生。

由管1的部分和3室形成的亥姆霍兹共振腔用来减少特定频率的噪声。

它充当声波滤波器并且可以衰减发动机的低频噪声。

亥姆霍兹共振腔向声源反射声波，从而防止声音沿排气管传播。

膨胀室（室2）的设计目的是为了减少加速噪声。

在消声器横截面积处引进的突变使膨胀室反射声波。

亥姆霍兹共振器没有高衰减度，但当一半声波长等于腔的长度时，它具有宽带频率特性。

通过在出口减小单脉冲噪声，膨胀室使剧烈的压力脉冲变得平缓。

当传入声流扩大或缩小成不同大小时设置一个扩面管谐振器以消除特定频率的噪声。

在这个消声器样本中，管2和固定盘形成了两个扩面管谐振器。

在这两个扩面管谐振器的作用下，隔板反射传入噪声使其朝相反的方向返回，以此来削弱传入噪声。

吸收元件(管3)用来防止流动噪声、辐射噪声和排气噪声。

它包含多孔吸音材料，通过震荡气体粒子与吸声材料(在目前研究中，玻璃棉)空隙中形成的摩擦，使声能转化为热能，以此来衰减了噪声。

这个元件的主要优点是在高频带内衰减性能好，但它在低频时性能不佳。

表1中列举了消声器的技术参数。

表1 消声器规格参数项目数值（mm）室1长度140室2长度150室3长度160管1长度400管1直径45管2长度200管2直径45管3长度400管3直径40多孔管孔的数量300多孔管孔的直径 3室的直径200分流孔直径15用一个被许多实验数据验证过的发动机模型来评估消声器样本的性能。

在目前的研究中，只对消声器样本模型给予了详细解释。

图3展示了一个高精度的消声器样本标准模型。

为获得较高的计算精度，把消声器离散成小的基本流动单元。

下面是标准消声器模型的两种离散方法。

一种是将室分成许多不同的部分，例如一些管子和分流。

另一种是将一长管离散成一些小部件。

室被划分为子单元。

在这些室内，子单元的体积是常数，但是室1内的子单元同室2和室3内的相比有不一样的体积。

管1被分为一个多孔管和二根直管。

其中一根直线管由一个分流孔连接室1。

多孔管被划分成与室2通过孔连接的子单元。

设计穿孔是为了连接多孔管和室2。

内部有吸收材料的套管相当于子单元，这些子单元有额外的参数来描述使用了如羊毛等吸收材料的消声器样本。

在当前的模拟中假设环境的热容量是无限的，即在整个模拟中环境温度是恒定不变的。

根据实验条件，在宽开口喉部加速条件下，发动机模型转速在30秒内由600转/分钟（空转）加速到12000转/分钟。