汽车排气噪声与气流噪声的分析控制

由以上分析可知，膨胀腔内的气流噪声是由于气流流经膨胀截面时，气流的边界发生阶越变化，引发膨胀湍流而生成的，如图6.18（a）所示。

而现有结构全穿孔膨胀腔中的穿孔管具有导流的作用，使气流的边界不发生显著变化，应该可以破坏强剪切层的形成，控制膨胀湍流，从而有效抑制气流噪声的产生，如图6.18（b）所示。同时入口管的声波能透过穿孔板进入膨胀腔体内达到消声的效果。

图6.18　膨胀腔内穿孔管导流分析示意

下面对全穿孔膨胀腔的气流产生过程进行仿真分析，其几何结构如图6.19所示。穿孔部分的穿孔直径为常用的6φ，穿孔数量为10×10，轴向穿孔间距为30mm。然后按6.1节中介绍的方法对其进行三维时域瞬态仿真分析，并计算气流噪声的分布和大小，计算时入口气流流速设置与膨胀腔相同。

图6.19　全穿孔膨胀腔尺寸结构及模型

利用时域瞬态流场仿真结果，并结合式（6.9），可计算出腔体内部三维流场的涡量分布，并沿Y-Z平面截取涡量云图，如图6.20所示。

图6.20　全穿孔膨胀腔时域仿真涡量图（M=0.147）

从图6.20可以看出，全穿孔膨胀腔的穿孔管内以及膨胀腔体部分都没出现大尺寸的涡结构分布，较好地抑制了膨胀湍流而形成的漩涡。但是全穿孔膨胀腔在穿孔部分出现了数值较高的涡量，上游穿孔管段涡量分布在管外，而下游管段分布在管内。

然后按同样的方法，利用流场场量计算获取腔内气流噪声体积声源的分布，如图6.21所示。从图中可以看出，声源主要分布在穿孔处，而腔内其他部分没有大面积的声源分布，说明全穿孔膨胀腔很好地控制住了膨胀湍流产生的气流噪声。

图6.21　全穿孔膨胀腔内气流噪声体积声源分布云图(www.xing528.com)

将声源项加载到图6.7中声学计算模型的声源区中，计算腔内的声场分布，如图6.22所示。从图中可以看出，腔体穿孔管的穿孔处气流噪声声压值最高。

图6.22　全穿孔膨胀腔内气流噪声声场分布云图

同时计算出管外辐射的气流噪声声压级，并与原膨胀腔的气流辐射噪声仿真结果对比，如图 6.23所示。从图中可以看出，在 700 Hz以下，全穿孔膨胀腔的气流辐射噪声大大低于膨胀腔，原因是穿孔管阻断了腔体内剪切层的形成，流场中没有大的涡结构产生，从而低频气流噪声得到有效的抑制。但在 700 Hz以上，全穿孔膨胀腔的气流辐射噪声却高出了膨胀腔，这是在全穿孔膨胀腔气流噪声仿真中发现的一个新问题。

下面对这个新问题产生的主要原因进行分析，首先绘制出全穿孔膨胀腔时域瞬态仿真中某时刻速度矢量图，如图6.24所示。

图6.23　全穿孔膨胀腔和膨胀腔的气流辐射噪声对比（M=0.147）

图6.24　全穿孔膨胀腔时域仿真速度矢量图（M=0.147）

由图6.24可以看出，流场中由于穿孔管的限制，没有出现明显的漩涡结构。但是在穿孔管与膨胀腔体之间出现了回流，即在穿孔管上游管段气流经过小孔喷射进入膨胀腔体之中，而在穿孔管下游管段气流又经过穿孔回流进入穿孔管之中。这种回流湍流极可能产生新的中高频气流噪声，使得全穿孔膨胀腔在700 Hz以上的气流噪声声压值增大。

为了进一步降低高频气流噪声，获得最优的气流噪声抑制结构，还需要在现在结构全穿孔膨胀腔的基础上进行结构改进。除了抑制膨胀湍流，还需要对回流湍流进行抑制，从而有效降低全频段气流噪声能量。