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尾气净化装置对柴油机性能和排气噪声的影响研究

作　者: 张国辉
导　师: 季振林
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 轮机工程
关键词: 尾气净化装置排气噪声发动机性能声源阻抗数值仿真
分类号: TK423
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

柴油机尾气净化装置针对柴油机尾气中含有的燃烧产生的各种有害成分，通过化学反应、物理吸附等方式将有害成分在排至大气前除去，减少有害成分对自然环境及人体健康的危害。它在实现柴油机尾气净化的同时，还能达到控制排气噪声的目的。但尾气净化装置的添加势必对发动机的性能及排气噪声产生影响，为使排气系统与发动机的耦合达到最佳状态，有必要对尾气净化装置对发动机性能和排气噪声的影响进行研究。工程上，通常使用GT-power软件进行建模及仿真计算，该软件基于一维流体动力学理论，采用有限体积法对模型进行分解计算。因此，当排气系统内存在三维流动和三维声传播时，使用该软件模拟的计算结果与实际情况存在一定差别。为解决此问题，在流场方面，本文采用GT-power软件与三维流体力学（CFD）软件Fluent相结合的方法，计算发动机的动力性及经济性；声场方面，采用传递矩阵法，计算尾气净化装置的插入损失及柴油机的尾管辐射噪声。使用GT-power软件建立发动机与排气系统的耦合模型，GAMBIT软件建模并划分网格，以GT-power软件仿真计算结果为边界，使用Fluent软件计算排气系统的压力损失，根据Fluent软件的仿真计算结果相吻合，模型中的参数，使用GT-power软件仿真计算的压力损失与Fluent的仿真计算结果相同。在此基础上计算分析尾气净化装置对柴油机性能产生的影响。使用这种方法，分别计算含有抗性消声器、阻性消声器、通流型载体、壁流型载体结构的排气系统的压力损失，分析了修正前后柴油机性能的变化。为能准确方便地预测源阻抗，本文使用GT-POWER软件模拟发动机工作过程，结合最大声功率法确定排气声源阻抗。应用此方法预测了4102BG柴油机排气声源阻抗并与二负载法作比较。分析转速、负荷对声源阻抗的影响。本文将最大声功率法计算得到的声源阻抗和管口辐射阻抗作为尾气净化装置的入口和出口的边界条件，使用三维有限元法求出尾气净化装置的四极参数，从而计算尾气净化装置的插入损失及柴油机尾管辐射噪声。使用这种方法，分别计算了抗性消声器、阻性消声器、通流型载体、壁流型载体结构的插入损失及对应的柴油机尾管辐射噪声。与一维方法进行比较，验证使用传递矩阵法计算尾气净化装置的插入损失及柴油机尾管辐射噪声的正确性。本文设计了一套尾气净化消声装置，分析该装置对柴油机性能和排气噪声的影响。在此基础上对该装置进行优化设计。对优化前后柴油机性能及排气噪声的变化进行对比分析。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第1章绪论  11-19
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 尾气净化装置性能评价指标  12-14
    1.2.1 尾气净化装置空气动力性能评价指标  13
    1.2.2 尾气净化装置声学性能评价指标  13-14
  1.3 尾气净化装置性能计算方法  14-17
    1.3.1 尾气净化装置空气动力性能计算方法  14-16
    1.3.2 尾气净化装置声学性能计算方法  16-17
  1.4 本文的主要研究内容  17-19
第2章尾气净化装置仿真模型的建立  19-29
  2.2 尾气净化装置流场的数值模拟  19-22
    2.2.1 尾气净化装置流场数学模型假设  19-20
    2.2.2 自由流动区的数学模型  20-21
    2.2.3 通流型载体内流动的数学模型  21
    2.2.4 壁流型载体内流动的数学模型  21-22
  2.3 尾气净化装置压力损失估算  22-25
    2.3.1 等截面直管压力的损失  22-23
    2.3.2 突扩及突缩结构处的压力损失  23
    2.3.3 载体的压力损失  23-24
    2.3.4 尾气净化装置总的压力损失  24
    2.3.5 实验验证  24-25
  2.4 尾气净化装置声场的数值模拟  25-28
    2.4.1 消声器声场的数学模型  25-27
    2.4.2 载体声场的数学模型  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章尾气净化装置流场特性研究  29-41
  3.1 发动机模型仿真模型建立  29-30
  3.2 消声器流场的计算  30-35
    3.2.1 抗性消声器流场的计算  30-33
    3.2.2 阻性消声器流场的计算  33-35
  3.3 通流型载体结构流场的计算  35-38
  3.4 壁流型载体结构流场的计算  38-40
  3.5 本章小结  40-41
第4章尾气净化装置声场特性研究  41-57
  4.1 声源阻抗特性研究  41-47
    4.1.1 声源阻抗的计算方法  41-43
    4.1.2 声源阻抗计算  43-45
    4.1.3 声源阻抗的影响因素  45-47
  4.2 尾气净化装置声学性能计算方法  47-52
    4.2.1 四极参数计算方法  48-49
    4.2.2 辐射阻抗计算方法  49-50
    4.2.3 尾气净化装置插入损失及排气辐射噪声计算方法  50-52
  4.3 消声器声学性能计算实例  52-54
    4.3.1 抗性消声器声学性能的计算  52-53
    4.3.2 阻性消声器声学性能的计算  53-54
  4.4 通流型载体结构声学性能计算  54-55
  4.5 壁流型载体结构声学性能计算  55-56
  4.6 本章小结  56-57
第5章尾气净化装置结构设计及优化  57-67
  5.1 排气系统初步设计结构  57
  5.2 耦合模型修正及发动机性能计算  57-62
    5.2.1 压力损失计算与模型修正  57-59
    5.2.2 发动机性能计算  59-60
    5.2.3 排气系统声学性能计算  60-62
  5.3 排气系统结构优化  62-66
    5.3.1 排气系统优化结构  63
    5.3.2 发动机性能计算与对比分析  63-65
    5.3.3 声学性能计算与对比分析  65-66
  5.4 本章小结  66-67
结论  67-68
参考文献  68-73
致谢  73

尾气净化装置对柴油机性能和排气噪声的影响研究

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