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一、选题依据：
1、选题背景：
随着国家对汽车噪声的要求逐步变高,仅仅考虑消除排气噪声已经不能满足国家相关法规的要求,因此有必要研究如何有效的消除进气噪声。发动机进气系统的功用是尽可能多和尽可能均勻地向各气虹提供可燃混合气或纯净的空气。一般进气系统主要包括进气歧管前的管路(如进气总管、空气滤清器及其他消声元件等)和进气歧管。在有些化油器式和节气门体汽油喷射式发动机上,一般会装有对进气进行预热的装置。
为了得到增强进气的效果,有些发动机的进气系统还加装了谐振器对于汽油喷射式发动机,其进气系统中还安装有计量空气的装置。空气滤清器的重要作用是滤除空气中的杂质和灰尘,为气社提供洁净的空气。另外,由于空气滤清器结构是一个膨胀的腔体,类似于扩张型的消声器结构,还具有降低进气噪声的作用,所以发动机的进气系统一般不会单独安装专门的进气消声器。对噪声的控制可以从两个方面进行研究:一是对噪声源的控制,二是采取外部降噪措施,如设计消声元件等。对进气噪声的控制主要是通过设计匹配的进气系统消声元件来实现的,这是目前最有效、采用最多的方法。受安装空间限制,进气消声元件一般与空气滤清器合为一体。
在某些仅凭空气滤清器不能满足降噪要求的发动机上,还可以安装相应的赫姆霍兹消声器或1/4波长管。如何在满足发动机动力性和经济性的前提下,合理地设计进气消声元件,是一项非常重要的工作。除了进气歧管前的管路,发动机的进气系统还包括进气歧管本身。进气歧管对于降低进气噪声的作用很小,基本可以忽略,但其物理结构仍非常重要。由于发动机正常工作所必须的空气由进气口流经进气歧管最后进入气缸,在流体流动的过程中,歧管的结构对于流场的影响会得到明显的体现。一个好的结构可以最大程度地减小摩擦,消除流动阻力,使流体的流动尽可能的顺畅。因此,对歧管内流场的分析十分必要。
2、国内外研究现状:
2.1国外的研究概况
关于发动机进气系统的研究在国外起步比较早,在20世纪60年代之前就有专门针对汽车噪声的简单计算和试验,如Hosomi.Mikiya等人概括了发动机排气消声器的发展历程而后随着数值模拟技术的发展,结构分析被率先用于汽车领域,采用有限元计算部件模态和响应。在70年代采用有限元研究消声器内部结构,80年代实现三维有限元分析,完成了对消声器传递损失的简单计算。这些技术的实现表明:对于结构复杂的消声器,三维有限元的分析方法具有良好的效果。后来,数值模拟技术得以广泛应用,发动机的仿真技术也H渐成熟,如Bhattacharya.Paritosh等人通过数值模拟软件完成了两虹四冲程柴油机的性能分析及噪声研究。计算流体动力学(CFD)技术在20世纪70年代的美国诞生,它被广泛应用于各种流体流动与传热问题中。四十年来,CFD在瑞流模型、网格技术、并行计算等方面都取得了飞速的发展,给工业界带来了革命性的变化。在汽车行业中,CFD和其他计算机辅助工具一起作为产品开发工具,大大减少了样车试验数量。1994年,Thomas Morel和Leon A.LaPointe提出了 “并行模拟和试验”的概念,将模拟和试验互相补充,实现了一体化的解决方法建立数值模型,并利用试验收集的基本数据对模型进行修正和完善,得到试验无法获取的数据,在计算机的并行模拟和试验中完成发动机的设计优化与幵发。而在实际的仿真计算中,为了避免单独使用三维软件计算精度不高的弊端,研究者提出了一维与三维软件稱合的计算流体力学方法,以此分析消声器内部的流动特性,通过计算结果预测发动机在实际运行工况下进排气系统内部的压力损失及声学性能,从而实现预先优化[3]。
2.2国内的研究概况
我国对于进气系统的研究起步较晚,在1979年颁布机动车标准后才幵始实施以试验研制为重点的研究。随着中国与世界的联系円益密切,汽车工业也面临着巨大的挑战,迫切需要自主研发生产新产品,其中对噪声的控制成为不可规避的课题之一。由于我国对于噪声污染的危害意识不够,使得目前对汽车降噪技术的研究与发达国家有一定差距,幵发能力相对较低。而随着噪声法规越来越高的要求,只研究排气系统消声器已经不能满足降噪要求,迫切需要幵展对进气系统的研究。最近几年,国内不少汽车开发商意识到了这个问题,许多专家和学者也做了不少工作。毛善勇等人通过比较发动机在不同工况下的声压云图,说明增压高速发动机内进气噪声对整机噪声有显著影响。范钱旺等人利用Matlab编写程序,模拟赫姆霍兹共振消声器结构参数对消声性能的影响,通过计算发现共振腔的体积和主管截面积等对共振频率和消声量有重要影响岳贵平等人利用CatiaV5R21软件分析进气系统的插入损失,幵发进气消声元件中心频率设计专家系统,将其传递损失影响参数考虑在内,分别设计了空气滤清器、赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管,这一系统对进气系统声学元件的设计具有很高的实用价值金岩、郝志勇通过比较加速行驶车外噪声的频谱特性,应用试验和边界元法研究了空气滤清器的频率相应特性,在原有结构的基础上添加赫姆霍兹谐振腔,很好地解决了进气噪声的问题,达到了整车降噪的目的。张小燕等通过建立发动机模型,优化进排气系统,对可变进气歧管系统进行了完整建模,提高了模型的仿真精度。尹凌等通过分析不同的进气歧管设计方案,利用一维和三维软件賴合计算的方法,分析两种进气歧管对整机动力性能的影响,同时解决了舉独使用三维软件仿真无法实时改变边界条件,造成结果精度不高的问题,使模拟计算结果更加接近试验数值这些研究成果对于今后进气系统的设计与优化有着非常重要的意义。
3、设计的目的和意义：
运用Fluent流体分析软件对车辆进气系统特性进行三维数值模拟分析，进气消声系统内部流动特性进行三维数值模拟分析，根据仿真分析的结果得出气流速度、温度和压力分布规律，从而确定进气系统的改进方向。本课题将涉及到热力学、声学、流体力学等多门学科，具有一定的学术价值和工程应用价值。应用Fluent流体力学分析软件建立进气系统内部数值计算模型，模拟结果可以用于指导实验研究，节约实验次数和时间，促进进气系统结构改进。
根据《汽车电子控制技术》课程学习的知识，系统分析发动机进气系统设计及性能同时结构组成及基本的工作原理，掌握汽车电子控制系统的基本结构与原理。
参考文献
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二、设计思路及工作方法
1.研究思路方法
首先,介绍可变气门正时与可变进气歧管技术的原理,在CatiaV5R21软件中建立发动机模型,并利用试验数据完成模型的标定,使其误差不高于5%,以用于后续的仿真计算。为了设计进气系统的消声元件,对赫姆霍兹谐振腔、1/4波长管和空气滤清器的参数灵敏性进行计算分析,总结参数变化对消声性能的影响规律。详细阐述进气消声元件的设计流程和方法,提出具体的设计方案,并针对方案中某转速下个别阶次噪声高于目标值的问题,对消声元件进行优化。优化后的进气系统进气口噪声明显改善,压力损失不高于2.5kPa,符合目标值要求,优化效果良好。
其次,为了分析进气歧管的性能,本文提出3种方法:利用零维或一维模型做简化处理、利用CFD软件完成稳态或孤立瞬态的计算以及利用一维和三维软件进行耦合分析。通过比较3种方法的优劣,发现利用软件的耦合可以在计算过程中获得实时的边界条件,有较高的准确度。本文重点阐述利用CatiaV5R21件和CFD软件进行耦合设置需要解决的关键问题,并在此基础上完成模型的计算。
最后,为了更好的评价进气消声元件的优劣,利用CatiaV5R21软件中耦合后的模建立汽车加速行驶车外噪声仿真模型,计算得到进气系统的最大噪61.8dB(A),其对通过噪声的单独贡献率满足目标要求。
2.研究的主要问题
(1)利用CatiaV5R21软件建立发动机工作过程仿真模型,对可变气门时和可变进气歧管的建模进行详细说明。将计算结果与发动机外特性试验结果对照,并标定模型,使计算值与试验值误差在5%以内,满足准确度要求,为后续对进气系统的设计及分析奠定模型基础。
(2)利用CatiaV5R21分析扩张消声器和旁支型消声器的参数灵敏性,总结消声元件不同结构参数对消声性能的影响规律。针对发动机进气系统消声元件的设计要求,分别设计空气滤清器、赫姆霍兹谐振腔和1/4波长管。将消声元件与发动机模型耦合,分别计算进气系统压力损失和进气口噪声。针对某个转速下个别频率的阶次噪声稍高的问题,考虑温度对实际流速的影响,提出改进方案,使进气口噪声低于目标限值,进气压力损失不高于2.5kPa,优化方案满足设计要求。
(3)介绍三种进气歧管流场分析方法,选定利用一维和三维软件耦合的方法进行歧管的分析。将CatiaV5R21软件和CFD软件耦合,通过CatiaV5R21软件获取实时的边界条件,分析压力场和速度场结果。
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