汽车排气阶次噪声和气流噪声分析及控制模型

本小节中仿真的目的是分析膨胀腔内部的气流噪声产生过程，因而流场计算的首要目标是模拟腔体内部的非定常湍流过程，为流噪声的计算提供时域流场数据。由于时域数值方法计算规模较大，会耗费较多的计算时间，为了提高流场的计算效率，流场计算域仅限于膨胀腔腔体部分。用于仿真计算的膨胀腔体几何结构接近于实际排气中部消声器大小，其几何尺寸如图6.3所示。

图6.3　膨胀腔的几何尺寸示意

按照图6.3中膨胀腔的几何尺寸建立三维几何数模，并将几何数模导入Hypermesh中划分流场计算网格。计算域内的网格划分完成以后，提取边界的面网格，用于定义边界条件。膨胀腔的流场网格模型如图6.4所示。

图6.4　膨胀腔流场网格模型

为了加快收敛速度，提高流场计算精度，流场网格模型全部采用结构化网格。网格模型的网格数量为26万，网格模型的平均尺寸在1.5 mm左右。测管内部靠近管壁以及喷射流剪切层的地方网格划分较密，以适应较大的速度梯度变化。

时域瞬态流场分析时仿真边界条件参数设置见表6.1。

表6.1　时域瞬态流场仿真参数

其中瞬态仿真的计算步长选取10-5量级，是为了尽量缩小时间步长，从而更细腻地捕捉腔内的湍流流动过程，同时让流场中的漩涡得以充分发展，提高流场的计算精度。瞬态计算步数为4 096步，即瞬态计算时长为 0.125 s。

流场的湍流流动会产生漩涡，漩涡随时间的变化过程中产生气流噪声。因而流场需要进行时域瞬态仿真，去捕捉流场中漩涡的形成和变化过程。流场中的漩涡按其大小可以分成两类尺度。大尺度的漩涡与均一流动具有强烈的相互作用，其能量主要来自湍流。大尺度的涡结构是各向异性的，其形成主要取决于初始条件以及边界形状，在不同的流动中形状变化很大。湍流中能量的传递和转换主要是通过大涡的形成完成的。而小尺度的涡结构是由大涡的非线性作用形成的。小涡基本都是各向同性的，不受均一流和边界形状的影响。因而小涡对流场的影响很小，且主要靠黏性损失来耗散能量[141]。

流场的直接求解（DNS）法可以求解流场内湍流产生的全尺寸涡，但是时间和计算规模代价过大，难以获得实际应用。除了采用直接法计算非定常的湍流流动，还可以引入湍流模型来求解不封闭的 N-S方程。现在三维时域流场仿真已发展出多种湍流模型，如 Spalart-Allmaras 模型、k-e模型、k-ω模型以及雷诺压力模型（RSM）[142]，但这些模型都是基于经验的修正模型，难以准确捕获主要湍流涡的发展过程，用以计算气流噪声会产生较大的误差。近年来兴起的大涡模拟仿真（LES）是一种基于滤波算子求解N-S方程的方法，可用于计算三维非稳态流场[141]。大涡模拟中的滤波算子可以将流场涡量分成大尺度和小尺度两部分，并且将尺度小于滤波带宽的涡量滤除掉，直接求解大尺度涡量，在保证一定精度的同时大大减小了计算量。

对于本书中的仿真模型而言，边界几何尺寸较大，腔体内部没有其他细小复杂结构，流动所产生的漩涡可以充分发展，并形成大尺度的漩涡[82，84]。大涡模拟方法可以精确捕捉计算大尺寸涡量并保持适中的计算效率，对于本书中的腔体仿真问题具有良好的适应性，因而本章采用大涡模拟方法对膨胀腔内部的非稳态流动进行时域瞬态仿真。大涡模拟过程中对大小尺度涡量的滤波过程可以用如下的卷积计算来描述，见式（6.1）[141]。(www.xing528.com)

式中　τij——亚格子应力张量；

δij——克罗内克函数；

νt——亚格子涡黏度，可由式（6.3）[141]来描述。

式中

在确定了仿真边界条件以及湍流模型以后，采用成熟的商业软件Fluent作为流场计算工具对膨胀腔内部非稳态流动进行瞬态时域计算。数值迭代计算过程中，采用二阶迎风差分格式来离散 N-S方程，二阶隐式离散格式对时间项进行离散，以获得较高的流体计算精度。流场的迭代运算主要有三种方法：SIMPLE算法、SIMPLEC算法以及PISO算法。其中 PISO算法是非迭代的瞬态计算过程，通常用于非定常计算。PISO在每个迭代步中增加了动量修正和网格畸变修正过程，可以更准确地获得压强场，所以使计算收敛更快。相比SIMPLE算法和SIMPLEC算法，PISO算法代价更低，因而本书采用PISO算法对非稳态流动过程进行计算。

流体计算采用32核，32G内存的惠普工作站进行计算。开启8核并行计算，单个非定常算例需要花费72 h左右。计算过程中，每一时间步的结果都进行保存，以用于后续气流噪声源项的计算。