反流插入管消声器压力损失的分析*

李沛然，邓兆祥，姚 杰，向 飞

(1.重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044;2.汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室，重庆 400039)

前言

汽车消声器过大的压力损失会导致发动机功率下降，增加整车燃油消耗。因此，消声器的低压力损失特性成为汽车设计人员的追求目标。目前对于消声器压力损失的研究主要是对消声器的内部流动特性进行分析和改进，以减小压力损失［1－3］。

然而消声器是由各种子结构构成，若对这些子结构压力损失特性，特别是尺寸参数对其压力损失的影响规律缺乏了解，消声器设计就存在盲目性，严重降低设计开发效率。

为此已有一些学者开始研究这些子结构的影响。一方面横向比较不同子结构间压力损失的差别或分析压力损失随进口流速的变化趋势［4－7］;另一方面，一些研究开始讨论尺寸参数对同轴扩张腔［8－11］、非同轴扩张腔［8］、同轴插入管［8，12］、非同轴插入管［8］、直流穿孔管［8，13－14］、横流穿孔管［8，15］、横流三管［8，16］、反流三管［8］、偏置插入管双腔［8］和同轴扩张腔双腔［8］的压力损失的影响规律和产生这些影响的内在原因［10－11］。

文献［6］中提到反流插入管的进口管与后壁面的距离对其压力损失具有决定性作用，过近的距离将导致较大的压力损失，然而并未详细讨论这一参数对反流插入管消声器的压力损失的影响规律和产生机理。

为帮助设计人员在设计阶段合理选择进口管与后壁面的距离，本文中在经过试验验证的数值模型基础上，采用计算流体力学(CFD)方法研究进口管与后壁面距离对反流插入管消声器压力损失的影响规律，并揭示其成因。

1 研究对象和方法简述

本文中研究的是反流插入管式消声器，该结构形式广泛应用于汽车排气消声器中。反流插入管消声器模型结构如图1所示，其中D0为腔体直径，D1、D2分别为进口管、出口管内径(简称为管径)，S为进口管与出口管中心距，L0为腔体内部长度，L1、L2分别为进口管、出口管管端离后壁面距离。

利用CAD软件CATIA建立反流插入管消声器的三维流体模型，并采用前处理软件ANSA进行了六面体网格划分，进、出口和腔体外表面分别设置不同的表面网格编号，从而得到反流插入管式消声器的CFD分析模型。为使问题简化，作如下假设:①消声器固体区和流体区的物理性能参数均为常数;②流动为定常流动中的湍流;③不考虑重力的影响;④消声器进口速度为匀速，没有脉冲影响。

CFD计算采用基于有限体积法的ANSYS CFX 12.0软件，利用k-ε模型进行求解。具体求解参数、边界条件与文献［10］中相同。

2 计算方法准确性验证

为确保数值计算结果的有效性，首先计算D0=200mm，D1=40mm、D2=40mm、S=80mm、L0=300mm、L1=80mm、L2=200mm的模型A，并制作相同尺寸的试验样件，在如图2所示的试验台上按《GB/T 4760—1995 声学:消声器测量方法》［17］，通过变频器控制涡旋风机电机转速来控制进口流速，进行不同进口流速v(5～60m/s，间隔5m/s)下的压力损失试验，环境温度T为20℃，试验照片见图3。然后将试验结果与仿真计算结果进行比较，见图4。

仿真与试验结果的误差在各流速下均低于6%，在工程计算允许的误差范围内，说明仿真计算选用的模型和计算方法是合理的。

3 进口管与后壁面的距离对压力损失的影响

3.1 进、出口管与后壁面的距离对压力损失的影响

给定进口平均气流速度为v=50m/s时，改变出口管与后壁面的距离L2(20～300mm)，压力损失随进口管与后壁面的距离L1的变化规律如图5所示。由图5可见:在相同L1时压力损失随L2的增大而整体减小，但变化幅度不大;L2相同时，L1在20～250mm范围内对压力损失的影响较小，当 L1＜20mm时，压力损失随L1的减小而急剧增大，并且L2不同时其压力损失变化规律一致。为便于引述，定义压力损失随L1变化过程中出现的压力损失发生明显变化所对应的进口管与后壁面的距离为“临界壁面距离”，并用Lc表示。当L1小于临界壁面距离时，压力损失随L1的减小而急剧增大;当L1超过临界壁面距离后，压力损失变化趋于平缓，改变很小。

3.2 进口边界条件、介质边界条件和尺寸参数对临界壁面距离的影响规律

3.2.1 进口平均流速对Lc的影响规律

图6为不同进口流速v(30、50和70m/s)情况下压力损失随L1的变化曲线。由图可见:随流速增大，压力损失整体变大，与前面的试验结果相同;不同流速下压力损失随L1变化规律相同，且Lc不随流速的变化而变化。

3.2.2 介质温度对Lc的影响规律

压力损失与其内部介质的黏度和密度有关。对于汽车用消声器而言，内部介质为空气，由于温度影响空气的物理特性，在计算过程中应考虑空气的温度对压力损失的影响。

图7为不同介质温度(293.15、400、1 000和1 500K)下压力损失随L1的变化曲线。由图可见:随介质温度增大，介质密度下降，压力损失整体变小;不同介质温度下压力损失随L1变化规律相同，且Lc不随介质温度的变化而变化。

3.2.3 腔体长度对Lc的影响规律

图8为不同腔体长度L0(300、400和500mm)下压力损失随L1的变化曲线。由图可见:随腔体长度增大，进、出口管相应变长，沿程损失增加，压力损失整体略有增大;不同腔体长度下压力损失随L1变化规律相同，且Lc不随腔体长度的变化而变化。

3.2.4 腔体直径对Lc的影响规律

图9为不同腔体直径D0(200、300和400mm)下压力损失随L1的变化曲线。由图可见:随腔体直径增大，局部损失增加，压力损失整体小幅增大;不同腔体直径下压力损失随L1变化规律相同，且Lc不随腔体直径的变化而变化。

3.2.5 进、出口管中心距离对Lc的影响规律

图10为不同进、出口管中心距 S(60、80和100mm)下压力损失随L1的变化曲线。由图可见:进、出口管中心距S对压力损失基本上没有影响。

3.2.6 出口管管径对Lc的影响规律

图11为不同出口管径D2(40、60和80mm)下压力损失随L1的变化曲线。由图可见:随出口管管径的增大，气流出口流通面积增大，压力损失整体变小，但随出口管管径的进一步增大，变化幅度减小;不同出口管管径下压力损失随L1变化规律相同，且Lc不随出口管管径的变化而变化。

3.2.7 进口管管径对Lc的影响规律

图12为不同进口管径D1(20、40、60和80mm)下反流插入管消声器压力损失随L1的变化曲线。从图中可以看出，进口管管径的增大，压力损失变化出现了与前面其他参数不同的变化规律:不同的进口管径有着不同的临界壁面距离Lc。将图12横坐标变为L1与进口管管径D1的比值，得到图13，由图13可知:Lc与进口管径正相关，且约等于进口管管径的一半(即进口管半径)。

3.3 临界壁面距离产生原因分析

图14～图16分别为进口管管径D1=40mm时不同 L1(10、15、20、23、28、30 和 35mm，分别对应 A～G)的反流插入管消声器内部压力、流速和湍动能图，图17为进口管出口处内部压力、流速和湍动能局部放大图。由图14可见，在与进口管出口正对的消声器后壁面处形成了半球形高压区域，因而形成图15中该区域流速很低的“滞区”。而由图16可见:湍动能一方面存在于出口管管口部分，但其大小和分布范围基本不随L1的变化而变化;另一方面，随L1的减小，进口管与滞区发生干涉，气体流通面积减小，湍流迅速增加，在壁面附近形成较高的湍动能(图16)，引起压力损失的急剧增大。

从前面分析可以看出，反流插入管消声器压力损失临界壁面距离Lc主要与进口管管径D1相关，而与进口平均流速、介质温度、腔体长度、腔体直径、进出口管中心距离、出口管管径、出口管与后壁面的距离关系不大。

由于进口管出口正对的消声器后壁面处形成的半球形高压区域(“滞区”)的直径约等于进口管管径，因此当进口管与后壁面距离小于“滞区”的半径时，消声器压力损失急剧增加。因此可以利用Lc=D1/2估算Lc。在设计反流插入管消声器时为避免压力损失过大，应使进口管与后壁面距离大于进口管半径。

4 结论

(1)进口管离后壁的距离对反流插入管消声器的压力损失影响存在一个临界距离Lc，如果离后壁的距离小于Lc会造成压力损失急剧升高，离后壁的距离大于Lc压力损失变化很小。

(2)Lc与进口管管径相关，而与进口平均流速、介质温度、腔体长度、腔体直径、进出口管中心距离、出口管管径关系不大，是反流插入管消声器的固有参数，并可以利用公式估算反流插入管消声器临界壁面距离。

(3)临界壁面距离产生的原因是由于进口管气流与后壁面形成近似的“壁面射流”，形成与进口管管径相同的半球形“滞区”，在“滞区”内压力较高，气流速度很低，当进口管与壁面距离接近滞区后，气流与滞区内气体作用，产生较高的湍动能，引起压力损失急剧变大。

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