发动机异型消声器流场分析与结构优化.pdf

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1、14内燃机与配件2013年第2期发动机异型消声器流场分析与结构优化EngineSpecial—ShapedM咖erFlowFieldAnalysisandStructureOptimization姜小放张文博刘永博(陕西重型汽车有限公司)[摘要]针对车辆排气系统发生的故障，同时考虑发动机降油耗项目，基于Star—ccm+对实际装车中的消声器进行了分析优化。建立并分析了该消声器优化前后的三个模型．对其内部穿孔管的位置和布置形式进行了调整。分析得到了较好的内部结构布置形式。进气管的插入深度及穿孔结构对消声器的内部流场起到了优化作用。[关键词]汽车工程消声器

2、star-ccm+数值模拟设计优化Keywords：AutomotiVeen西neeringMumerStar—ccm+NumericalsimulationDesi殍lopti—mizatjon0引言目前在特种车及危险品运输车辆中．发动机排气系统会有特殊要求，通常采用前排气或者上排气结构。以防止汽车在运输过程中因排气引发的危险因素。但因运输道路状况和底盘高度的限制．对前排气的离地间隙要求较为严格，为了满足系统要求，同时解决离地间隙的问题，消声器的设计需要对箱体结构进行相对应的处理，以保证足够的离地间隙或废气排放位置要求。在设计前排气消声器时，因空间位

3、置和结构的限制，内部腔室和穿孑L管的布置形式都是设计中的关键。如果设计不合理，常常会出现损坏率高，背压大的现象，从而引起发动机各项性能指标降低，油耗大等现象，损坏企业形象。根据图1中给出的汽车排气系统背压和发动机性能曲线图人手。从设计初始阶段降低排气背压，优化排气系统结构，是提升发动机性能和解决排气系统故障以及降低成本的正确选择。1设计原则与思路为了能准确把握设计优化的思路，本文利用流体分析软件辅助设计消声器的内部结构。优化遵循降低流速和改善流动状态两个原则。尽量减小压力损失和再生噪音¨】。利用计算机协同设计技术，可以大大的缩短设计周期，减少设计成本。

4、避免走弯路。分析前期，利用CArllIA建模软件建立异型前排气消声器的三维模型图，并对其内部结构按实物1：1建模。分析过程中，考虑该消声器实际损坏位置集中在第一腔室进气口位置，设计优化主要从进气管布置形式及隔板形状人手，改进后增加了进气管插入深度，在进气管段布置了一段穿孑L管。以改善第一腔室的湍动能，减少腔室内部气体压力损失【2】，降低噪音。建立该消声器优化后的模型，通过反复分析比较，最终确立设计改进后模型，并用CArrIA进行实际比列建模，其中穿孑L管孔位呈十字交错布置。II’‘"№‰图1排气背压对柴油机性能的影响曲线圈2建模及前处理(1)CATIA

5、软件具有强大友好的建模模块，可以实现复杂实体内部结构的可视化建模过程控制．方姜小放张文博刘永博：发动机异型消声器流场分析与结构优化15便修改和避免错误。改进前后消声器模型如图2所示。两个方案主要是在进气管和隔板位置有不同改进，隔板将消声器整个腔体分割为四部分，每个腔体容积依次减小．因为该消声器在实际装车中需要悬挂在车辆保险杠下方，考虑一定要求的间隙，所以整个腔室做成了平地椭圆状。为了更好的实现分析。在同等穿孔率的前提下，穿孔管孔径取为书10mm，孔之间距取20mm。改进前后穿孔管处共312个孔，改进后进气管处增加108个小孔。改进前改进后圈2消声器三维

6、图(2)CFD模型抽取在完成三维模型的建立之后，我们需要利用三维建模软件或者CF【}前处理建模软件进行流体区域的抽取，为数值模拟准备模型。本文在CATIA软件中利用布尔运算完成流体区域的抽取工作，将模型另存为STP格式，然后导人Sta卜ccm+进行分析前处理。(3)网格划分实体导入Star—ccm+后，其整个体区域是一个整体，还需要将其用特征曲线分割，从而生成独立的面区域。Star—ccm+具有功能强大的网格生成器，可自动划分多面体网格、四面体网格、Trimmed网格。本文中面网格采用非结构化网格再生，用多面体单元对消声器流动区域进行离散，生成多面体体

7、网格。BaseSize设为200mm，Su血ceSize中最小尺寸设为1mm，对优化前后个模型统一采用同样处理方法，分别划分。划分结果示意如图3所示。Ce岭：467593F钺：es：3206：型8Vert-∞s：2824313图3网格划分结果示意围f4)边界条件边界条件的正确选取是数值模拟能否成功准确的要素。考虑到是结构优化，对流场的关注较重要，在分析过程中，选取三维稳态气体进行计算，利用k—s模型进行模拟计算．采用二阶迎风格式迭代，残差收敛标准设为1(1。4。入口边界条件设为速度人口，出口设为压力出口。气流速度设为20“s，出口压力为OPa【31。3

8、结果对比分析通过分析．我们可以得到消声器内部任意一点处的流场参数。有利于指导改进设计。从消声器