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基于CFD的工程机械抗性消声器设计与性能分析

作　者: 方建华
导　师: 周以齐
学　校: 山东大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 抗性消声器工程机械 CFD 压力损失插入损失排气噪声
分类号: TB535.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 4次
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内容摘要

发动机排气噪声是工程机械整机噪声中最主要的噪声源,对于工程机械整机噪声水平的高低有重要的影响。消声器设计水平的提高对于提升我国工程机械整机质量有重要的意义,插入损失和压力损失是评价消声器消声性能和空气动力性能的两个非常重要的评价指标。在当前“节能减排”的国际大环境下,考虑消声性能的同时,消声器对发动机动力性能的影响开始被越来越多地涉及,即在保证消声量的前提下,使消声器的压力损失在合适的范围尽量的降低。消声器技术的提高还能摆脱我国部分消声器依赖进口的劣势,提高国产消声器的竞争力,具有良好的社会效益和经济效益。本文基于消声单元结构、入口流速等对消声器压力损失的影响研究,对复杂结构抗性消声器的设计改进过程进行了系统的研究。消声结构和入口边界条件对消声器的压力损失有非常重要的影响,利用CFD方法,通过几何建模、网格划分、求解模型选择、边界条件设定等步骤,对基本消声单元(扩张室、内插管、穿孔管)内部流场进行了仿真计算,研究了消声器基本消声单元结构(扩张室的长度和直径、内插管长度及位置、直/横流穿孔管穿孔率和穿孔孔径)对消声器气流速度场、压力场、温度场的影响规律,探讨了不同入口流速条件下消声器消声单元压力损失的变化规律,为复杂结构消声器的设计提供了一定的设计依据。进行了具有典型消声单元结构(扩张室、内插管、穿孔管)的典型结构复杂消声器内部流场的仿真研究,分析了基本消声单元在复杂结构消声器压力损失方面产生的作用和影响。发现了消声器的内部气流的速度场、压力场以及温度场具有相似的分布特点。特定入口流速条件下,对比分析了三种典型结构抗性消声器的压力损失的仿真与试验结果,分析了压力损失仿真与试验结果之间的差异,并对产生差异的原因进行了说明,进一步验证了计算流体力学方法分析消声器空气动力性能方面的有效性。初步发现典型结构消声器的出/入口压力、压力损失同入口流速之间存在一定的数学关系。参考消声单元的相关研究结论,结合实际的工程设计经验,采用可靠的经验公式,进行了以实际挖掘机用消声器为实践背景的复杂结构抗性消声器的设计与改进,发现了设计消声器产生较大压力损失的原因和结构,提出了消声器的优化改进设计方案。利用改进消声器的入口气流迹线图研究了消声器内重点区域的气流流形及流线分布情况。发现了相比入口流速等因素,入口温度对消声器压力损失的影响非常小,可以忽略不计的规律,使消声器的研究内容得到了简化。对比分析了不同发动机工况下改进消声器压力损失的试验和仿真结果,发现在考虑试验误差及消声器制造精度的前提下,二者较为一致。利用改进消声器压力损失的实际试验分析进一步证明了以内插管、扩张室、穿孔管为典型结构的抗性消声器的出/入口压力、压力损失同入口流速之间存在的数学关系的正确性,即,两种入口流速下(入口流速非零)消声器的出口压力比、入口压力比、压力损失比都与两种状态下的入口流速比值的平方相近。进行了改进消声器的插入损失及压力损失的实际试验测量,对改进消声器的综合性能进行了评定,发现,改进消声器具有较高的插入损失和较低的压力损失,达到了相关标准规定的限值,被作为该型号挖掘机消声器的定型设计方案。总结了复杂结构抗性消声器设计的基本流程,较传统的设计模式有了较大的改进,将消声器的大部分设计工作转移到了计算机上,大大缩短了消声器产品的研制周期,较大地提高了消声器的设计效率,并具有较高的经济性,对于提高我国消声器设计研究水平具有一定的意义。

全文目录

摘要  14-16
Abstract  16-19
第1章绪论  19-35
  1.1 课题的背景  19-21
  1.2 消声器评价指标及设计要求  21-24
    1.2.1 消声器声学性能评价标准  21-22
    1.2.2 消声器空气动力性能评价标准  22-23
    1.2.3 消声器的其它设计要求  23-24
  1.3 消声器的研究现状  24-27
    1.3.1 消声器研究历程  24
    1.3.2 传统消声器研究技术  24-25
    1.3.3 消声器理论技术研究现状  25-27
  1.4 计算流体力学技术在消声器研究中的应用  27-29
    1.4.1 消声器内部流场的研究  27-28
    1.4.2 消声器内部温度场的研究  28
    1.4.3 消声器内部压力场的研究  28-29
  1.5 消声器仿真计算软件  29-31
  1.6 消声器研究技术的总结  31-33
  1.7 主要研究内容  33-35
第2章抗性消声器设计分析理论基础  35-47
  2.1 消声器计算流体力学的基本方程  35-37
    2.1.1 质量守恒方程  35-36
    2.1.2 动量守恒方程  36
    2.1.3 能量守恒方程  36-37
    2.1.4 统一表达式  37
  2.2 有限体积法及其基本思想  37-38
  2.3 边界条件设定  38-42
    2.3.1 消声器内部流体的压缩性分析  38-39
    2.3.2 求解器选择  39
    2.3.3 求解方法的确定  39-40
    2.3.4 消声器流体仿真边界条件的设定  40-42
  2.4 声波方程  42-45
    2.4.1 运动方程  43
    2.4.2 连续方程  43
    2.4.3 物态方程  43-44
    2.4.4 波动方程  44-45
  2.5 本章小结  45-47
第3章消声单元结构的CFD分析  47-71
  3.1 抗性消声器的原理及应用  47
  3.2 消声单元的CFD前处理及边界条件  47-48
  3.3 扩张式消声单元的CFD分析  48-55
    3.3.1 扩张式消声器简述  48-49
    3.3.2 不同结构扩张式消声单元CFD仿真分析  49-55
    3.3.3 扩张式消声单元相关研究结果  55
  3.4 内插管消声单元的CFD分析  55-63
    3.4.1 内插管消声器简述  55-56
    3.4.2 不同结构内插管消声单元CFD仿真分析  56-62
    3.4.3 内插管消声单元相关研究结果  62-63
  3.5 穿孔管消声器的CFD分析  63-69
    3.5.1 穿孔管消声器简述  63-64
    3.5.2 不同结构穿孔管消声器CFD仿真分析  64-68
    3.5.3 穿孔管消声器相关研究结果  68-69
  3.6 本章小结  69-71
第4章典型结构消声器的流场仿真及试验对比  71-91
  4.1 消声器压力损失测量的基本原理  71-72
  4.2 消声器压力损失及气流速度测量设备  72-75
    4.2.1 测量装置的相关仪器  72-75
    4.2.2 消声器压力损失及气体流速现场测量方案  75
  4.3 典型抗性消声器的CFD仿真及分析  75-88
    4.3.1 典型扩张式消声器的内部流场CFD仿真分析  75-81
    4.3.2 典型内插管消声器的内部流场CFD仿真分析  81
    4.3.3 典型穿孔管消声器的内部流场CFD仿真分析  81-88
  4.4 出/入口压力及压力损失与消声器入口流速的关系  88-89
  4.5 本章小结  89-91
第5章复杂结构抗性消声器的设计与改进  91-115
  5.1 挖掘机及其发动机型号  91-92
  5.2 复杂结构抗性消声器的设计  92-94
    5.2.1 消声器外部结构尺寸的确定  93-94
    5.2.2 消声器内部结构的确定  94
  5.3 复杂结构抗性消声器的CFD仿真计算分析  94-100
    5.3.1 复杂结构抗性消声器的仿真模型及边界条件  95
    5.3.2 复杂结构抗性消声器的仿真计算后处理分析  95-100
  5.4 复杂结构抗性消声器的改进设计  100-101
  5.5 改进消声器的CFD仿真计算分析  101-107
    5.5.1 改进消声器的仿真模型及边界条件  101-102
    5.5.2 改进消声器的仿真计算后处理分析  102-107
  5.6 不同工况下改进消声器压力损失的仿真试验对比  107-109
  5.7 出/入口压力、压力损失与入口速度关系的验证  109-112
    5.7.1 入口流速对改进消声器压力损失影响  109-110
    5.7.2 入口流速同出/入口压力及压力损失之间数学关系的验证  110-112
  5.8 本章小结  112-115
第6章消声器的综合性能评定试验  115-129
  6.1 排气噪声试验测量装置及测量规范  115-119
    6.1.1 消声器排气噪声测量系统  115-117
    6.1.2 噪声测量的影响因素  117
    6.1.3 噪声信号的测量环境  117-119
  6.2 改进消声器的排气噪声测量  119-124
    6.2.1 环境本底噪声的测量  119-121
    6.2.2 发动机排气噪声测量  121-122
    6.2.3 改进消声器的排气噪声测量评价  122-124
  6.3 改进消声器的压力损失测量评价  124
  6.4 改进消声器的综合性能评价  124-125
  6.5 本论文的消声器设计流程  125-127
  6.6 本章小结  127-129
结论  129-133
参考文献  133-147
致谢  147-149
攻读博士学位期间发表的论文、参与的课题及获得的奖励  149-151
外文论文  151-170
学位论文评阅及答辩情况表  170

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