柴油机分流气体对冲排气消声机理及湍流噪声研究

It has a great significance in controlling the exhaust noise for lowering the whole-machine noise in diesel engine. Since the high-speed airflow in exhaust muffler of diesel engine, the conventional way of controlling the exhaust noise is unsatisfied, and also the high-speed air flow will generate noise, thus the air flow speed in the exhaust muffler is critical to the exhaust muffler design. Therefore, a new idea on lowering the air-flow speed in muffler and thus improving the acoustic and aerodynamic properties of muffler has put forward based on out-of-phase stream rushing by our research group. On the basis of former research results, in this proposal the principle of noise reduction as well as effects of structural factors for the new-idea muffler unit will be studied by establishing the acoustic transmission model and using numerical simulation; By using the methods of both test and simulation, the air-flow pressure loss and effects of structural factots for the new muffler unit will be studied; It was proved that the turbulent flow is existed in the zone of out-of-phase stream rushing in the new muffler unit, it will produce turbulent noise, which is an important factor on further improving the property of the new muffler unit, so the generation principle of the turbulent nose will be studied in this proposal by using the methods of test and simulation. The research results will provide a theoretical support on exploring the new type of muffler with good behaviors of both noise reduction and air-flow resistance, also it can be a reference on designing the air-flow mufflers in other fields, such as ventilation, etc., so it has a broard application future.

降低柴油机的排气噪声对控制柴油机的总体噪声具有决定性的意义，而安装排气消声器是最直接有效的方法。为此，本项目提出一种基于分流气体对冲降低柴油机排气消声器内气流流速，从而提高消声器消声性能、降低排气背压的新思路。本项目就是在前期研究的基础上，以这种新型原理消声单元为研究对象开展如下研究：①建立其传声特性的数学模型，采用二维解析与三维数值模拟相结合的方法，研究其消声机理及结构参数的影响规律；②利用三维数值模拟与试验相结合的方法，研究新型原理消声单元气流低背压机理及其结构参数的影响规律；③针对新型消声单元分流气体对冲区域存在湍流会产生气流再生噪声的问题，采用三维数值模拟和试验相结合的方法，研究湍流噪声的产生机理及其与结构参数的关系。为阐释这种新型排气消声单元的消声及低阻原理并研究其相应的设计理论和优化方法提供基础，其结果也可用于汽油机或换气、通风等其它流体机械的噪声控制，具有广阔的应用前景。

柴油发动机一直以来都是农业机械、工程机械等大功率工程设备的主要动力装置。在提供强有力动力的同时，柴油机还存在噪声大的特点，排气噪声在造成环境污染的同时，还影响作业者的身心健康，也无法满足日益增加的噪声限额标准。传统消声设备为获得消声效果，往往需要在消声装置内部耦合多种基本消声单元，而复杂的消声结构同时也会产生较大的排气背压，致使发动机输出功率降低，现有降噪原理无法克服消声效果与排气背压之间的矛盾。.课题利用分流气体对冲原理，将排气气流分成两列对等气流，让其在消声器内发生对冲，降低气流速度，气流速度是影响消声器消声效果的关键性因素，从而达到降低排气噪声的目的，同时该原理结构简单，还可有效降低排气背压，保证了柴油发动机在损失较小输出功率的情况下获得较好的消声效果。.课题通过理论分析推导、软件模拟仿真、台架试验等方法分析了分流气体对冲理论对柴油机排气气流的作用效果，依据该理论试制了消声器实物装置，并利用该消声器进行了台架试验与柴油机配机试验，对分流气体对冲消声器和等消声容积的传统穿孔扩张腔消声器的消声效果进行了对比研究。.（1）消声器内排气气流速度是影响其消声性能和发动机功率损失的重要因素。随着气流速度的增加，消声器内的消声量降低，当气流速度达到一定值后，消声量甚至出现负值；消声器内的压力损失也随着气流速度的增加而增加。.（2）利用一维平面波理论，推导了分流气体对冲消声结构的传递矩阵，并通过Matlab软件编程计算了该结构的传递损失。得出了分流气体对冲消声结构在中高频段具有良好的消声效果。通过消声结构的传递矩阵，可以从理论上揭示该结构的具体声学性能，为这种新型消声器的设计提供理论支撑。.（3）利用流体力学软件仿真了分流气体对冲消声结构的内部流场，以不同入口气流速度分别仿真了对冲作用对气流速度的影响。结果表明，对冲机制可有效降低消声器内部气流速度，减小湍动能。纵向气流速度平均降幅为65%，在对冲区域中心处，速度降幅最大，对冲后的气流速度接近于零。在整个消声单元内腔，对冲面上的气流速度波动最大，对冲面两边的其它空间里，气流速度均较低。.（4）搭建了用于声学性能和气流影响测试的试验台，并在自制试验平台上对分流气体对冲消声结构的传递损失、压力损失进行了测试。试验结果表明，分流气体对冲消声器与传统消声器在相同条件下对比，二者在低频段消声性能相近，在中高频段则分流气体对冲消声器的声学