乘用车排气系统流场的数值模拟

论文摘要

随着现代化的进步以及汽车工业和交通运输业的发展,城市汽车的保有量正在快速增长,由此而引发的空气污染、噪声污染也越来越引起人们的重视。近几年来,低噪声已经成为乘坐舒适性的一部分,与动力性、经济性和排放性一起成为了评价汽车品质的重要指标。汽车排气系统作为控制尾气污染的重要装置,其设计需要满足“低噪声、低振动、低排放、低功耗(低背压)、低成本”的要求,传统的实验方法费时又费力,而借助数值模拟的方法,从理论角度分析消声器的压力损失、温度降幅、流场分布情况,可以研究其结构的合理性,分析可能出现的问题,提供设计与改进的依据,从而大大缩短开发周期,提高开发效率,降低实验成本。本文在结合实际项目的基础上,通过对某车型排气系统冷端进行建模、计算,分析其内流场分布规律,并在此基础上对消声器结构进行了优化改型。本文首先介绍了排气系统数值模拟技术发展现状、汽车排气系统中噪声产生的机理、影响排气噪声的因素、排气系统的设计要求,简述了计算流体力学(CFD)在排气系统设计中的应用和所涉及的基本流场理论。应用Fluent流体计算软件模拟排气系统冷端内部流场,获得其压力场、温度场、速度场、湍动能场的分布情况,分析了排气系统内部流场的流动特性,研究了阻力损失、湍流动能产生的原因。为了探讨结构因素对排气消声系统流场的影响,对比分析了三种不同结构消声器流场的差别,分别考虑了内插管上微孔数量、内插管长度以及膨胀腔结构对流场的影响,为改型提供依据；探讨了发动机转速对流场的影响,对不同工况下背压、温度降幅以及流场的变化做了比较和分析,得知压力损失随流速呈抛物线升高；温度降幅随速度呈抛物线降低。低速工况下,流场分布更均匀,涡流速度和湍动能损失显著降低。最后,在数值计算结果的基础上,对消声器结构提出改进方案,减少了内插管的插入深度,并将排气内插管入口处的形状改为外扩的喇叭形。将改进后的流场与原来的流场进行对比分析,改进后的结果基本令人满意。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景
• 1.2 排气系统数值模拟技术发展现状
• 1.3 本文的研究来源和目的
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 汽车排气系统理论研究
• 2.1 排气噪声产生的机理
• 2.1.1 基频噪声
• 2.1.2 排气管道内气柱共振噪声
• 2.1.3 涡流噪声、喷注噪声和冲击噪声
• 2.1.4 气流摩擦噪声
• 2.1.5 辐射噪声
• 2.2 影响排气噪声的因素
• 2.2.1 发动机转速和负荷的影响
• 2.2.2 发动机类型不同产生的影响
• 2.2.3 涡轮增压的影响
• 2.3 排气系统的设计要求
• 2.3.1 排气管的设计要求
• 2.3.2 消声器的设计要求
• 2.3.3 排气尾管的设计要求
• 2.3.4 排气管安装位置的要求
• 2.3.5 消声器安装位置的要求
• 2.4 CFD在排气系统设计中的任务
• 2.5 CFD基本流场理论
• 2.5.1 质量守恒定律
• 2.5.2 动量守恒定律
• 2.5.3 能量守恒定律
• 2.6 CFD求解过程
• 2.7 本章小结
• 第3章 乘用车排气系统内流场数值模拟
• 3.1 模拟软件介绍
• 3.2 仿真建模
• 3.2.1 模型描述
• 3.2.2 模型简化
• 3.2.3 流场计算域模型建立
• 3.2.4 网格划分
• 3.2.5 模型假设与计算模型
• 3.2.6 边界条件设置
• 3.3 计算结果分析
• 3.3.1 流场计算结果
• 3.3.2 压力场分析
• 3.3.3 速度场分析
• 3.3.4 温度场分析
• 3.3.5 湍流动能分析
• 3.3.6 流线分析
• 3.4 结构因素对流场的影响
• 3.4.1 内插管上微孔的影响
• 3.4.2 内插管插入深度的影响
• 3.4.3 膨胀腔结构的影响
• 3.5 不同工况下流场对比
• 3.5.1 不同工况下背压比较
• 3.5.2 不同工况下温度降幅比较
• 3.5.3 压力分布对比
• 3.5.4 速度分布对比
• 3.5.5 温度分布对比
• 3.5.6 湍动能对比
• 3.6 本章小结
• 第4章 排气系统改进设计
• 4.1 改进的目的
• 4.2 改进措施
• 4.3 改进前后流场对比
• 4.3.1 压力对比
• 4.3.2 速度对比
• 4.3.3 温度对比
• 4.3.4 湍流动能对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文