改进结构的回流湍流抑制分析及其豪车排气噪声和气流噪声的控制

根据流体动力学原理对回流湍流产生的原因进行分析，如图6.25所示。

图6.25　回流湍流原理分析示意

从图6.25中可看出，膨胀腔体内部由于气体流动较弱，腔体的压力场分布基本是均一的，可用Pec表示。而对于膨胀腔内的穿孔管管段的气体流动，由于沿程阻力损失的存在，上下游的压力会有差异，可由式（6.12）表示。

式中　ζ1——气流掠过穿孔壁面时沿程局部阻力系数；

Pup——穿孔管上游管段的压力；

Pdp——穿孔管下游管段的压力。

对于主管道与腔体之间的回流，可由式（6.13）表示。

式中　ζ2，ζ3——气流通过腔内上下游穿孔壁面时沿程阻力系数；

从以上分析可知，解决回流湍流的关键问题在于缩小穿孔管上下游管内压力Pup、Pdp以及膨胀腔体内部压力Pec之间的压力差，使其压力尽量平衡。从这个角度出发，可以提出两种解决方法：方法一，可以缩短穿孔管段的长度，即减小1ζ的值，使上下游的压力差减小；方法二，可以改变2ζ和3ζ的相对大小，通过膨胀腔体的容积平衡穿孔管段上下游的压力差。

根据以上分析的思路，设计出了四种用于抑制全穿孔膨胀腔中回流湍流的改进结构，如图 6.26所示。1号改进型内部的穿孔管只有一半穿孔，位于上游管段，2号改进型与1号改进型类似，差异是穿孔段位于下游管段。1号和2号两种改进型是采用方法一的思路，即减小1ζ的值。3号改进型上游管段和下游管段都采用相同间距的穿孔，但上游管段的穿孔采用小直径穿孔，而下游管段的穿孔采用大直径。4号改进型的上游管段和下游管段都采用相同直径的穿孔大小，但上游管段采用宽间距穿孔，而下游管段采用窄间距穿孔。3号和 4号两种改进型是采用方法二的思路，即改变2ζ和3ζ相对大小。

图6.26　抑制回流湍流的四种改进型结构示意图

四种改进型的总体设计原则是保证腔内总的穿孔数一样，且穿孔面积基本一致，而外部腔体尺寸以及进出口管径与原简单膨胀腔完全一样。

将1号、2号、3号、4号四种改进型腔内的穿孔尺寸参数列出来，见表6.3。

表6.3　回流湍流抑制结构的几何参数表　单位：mm(www.xing528.com)

注：表中尺寸参数的表达形式定义为穿孔直径-穿孔行数×穿孔列数-穿孔间距。

结合三维时域瞬态流声混合仿真分析方法，可获得四种改进型的腔内声压分布云图，如图6.27所示。仿真时入口气流速度设置与膨胀腔相同。

图6.27　1号、2号、3号、4号四种改进型气流噪声声场分布云图

将图6.27与图6.22对比（图6.22中色标范围大），可以发现1号、2号、3号、4号四种改进型在穿孔附近的声场声压值大大减小了，说明这四种改进型有效抑制了全穿孔膨胀腔体内部存在的回流湍流。而将四种改进型之间进行相互比较可以发现，1号和2号改进型的腔内声场声压值要明显比3号和4号改进型小，说明1号和2号两种改进型对于回流湍流的抑制更加有效。另外，1号和2号改进型加工工艺性能比3号和4号更好。综上分析可知，1号和2号改进型是更有优势的回流湍流抑制结构，因而以下分析仅针对1号和2号改进型展开。

将1号、2号改进型和全穿孔膨胀腔的远场辐射噪声的仿真结果绘制出来，如图 6.28所示。从图中可以看出，1号改进型和 2号改进型在全频段内声压级都要低于全穿孔膨胀腔，说明1号和 2号改进型成功地抑制了膨胀湍流和回流湍流，可以更加有效地抑制气流噪声的产生。

图6.28　1号、2号改进型和全穿孔膨胀腔的气流辐射噪声对比（M=0.147）

消声器的主要目的是用来消声的，采用有限元方法，对1号、2号改进型和全穿孔膨胀腔的消声性能进行了计算，计算结果如图 6.29所示。从图中可以看出，由于1号、2号改进型腔内有半段管没有穿孔，由 1/4波长管效应在 400 Hz左右形成共振峰，提高了 200～700 Hz频段的消声量。这个频段的消声量对于阶次噪声的控制具有非常重要的意义。

综合以上分析可知，本文提出的1号和 2号改进型能够很好地在全频带内抑制气流噪声，而且拥有更好的低频消声性能。1号和2号改进型结构形式为半穿孔膨胀腔，是最优气流噪声抑制结构。

图6.29　1号，2号改进型和全穿孔膨胀腔传递损失对比