摘要：针对小型柴油机噪声大的问题，设计了一款消声器，并对其进行三维实体建模，然后通过Fluent流体仿真软件对消声器进行有限元分析，仿真了此款消声器的各项工作性能，最后用Virtual.Lab软件仿真得到其传递损失曲线，得到其在不同频率下的消声量，仿真结果证明此款消声器各个参数均满足设计要求。
关键词：消声器；Fluent；有限元仿真
目前，在我国农村小型柴油机被普遍应用在拖拉机、三轮农用运输车、机械插秧、发电机等机械设备上，它具有体积小，重量轻，运转平衡、工作可靠、使用维护方便等等优点，是农用机械最理想的动力源，也是使用最多，应用最广泛的动力机械。但是在使用过程中产生的噪声会给人们带来很多困扰，特别是小型发电机对周边的影响更大[1-3]。因此本文针对某典型发动机排气系统设计了一款消声器，并对其进行了仿真分析。
1 消声器各参数的设计
表1为此发动机的主要参数。
表1 某柴油发动机主要参数
由柴油发动机的原有消声器形状可知，此方案设计采用与原消声器容积保持一致，如果四腔消声器设计成圆柱状的外形，腔体体积较小，达不到很好的消声效果，所以采取长方体可首尾相接的外形的方法来设计。这样既符合安装实际情况，也会有相对较好的消声效果。根据原有消声器计算得到的此新型消声器的参数为：
（5）由经验公式可设计，第一腔室进口管插入长度为20 mm，出口管入15 mm，第二腔插入管在二腔室的长度为42.5 mm，在第三腔室长度为15 mm，第三腔室的插入管在三腔室插入42.5 mm，出口管插入深度为15 mm，第四腔室进口管插入的长度为42.5 mm，出口管插入的长度为15 mm.
2 消声器模型的建立
四腔阻性消声器工作原理：简单来说就是内燃机排出的废气通过与发动机连接的法兰管进入进气口管，第一步先达到第一腔室，再经过两跟短插入管进入第二腔室，到达第二腔室后接着就流到第三腔室，到达第三腔室后也是通过两根短插入管流到第四腔室，到第四腔室后通过排气管排到大气中，取得较好的消声效果。三维模型如图1所示。并对其进行网格划分如图2所示，网格划分完成后，导出网格到ANSYS FLUENT中进行相关分析[4-5]。
图2 四腔消声器网格图
3 基于Fluent的消声器有限元结果分析
1）添加边界条件
参考实际工况以及经验参数，得出消声器的边界条件。统一设进入进气口废气的速度：v=60 m/s，温度：t=300℃，出口压力P＝0 MPa.因为消声器工作时主要是通过外腔把热量散发到外面，因此就将外腔壁面的温度设置为300℃，剩下的壁面都设置成绝热的。
2）仿真结果展示
图3为四腔消声器流体速度矢量分布图，图4为四腔消声器的三维流线图。从图中可清楚的看出气体以60 m/s左右的速度流入第一腔室，经过两个插入管流到第二腔室，再经过两个插入管进入到第三腔室，此时的废气速度已经减弱得较多，到达第四腔室再通过排气管流到大气中。在这过程中废气的流向达到设计要求，但是第三腔室与第四腔室出现有局部漩涡状气流。
图3 四腔消声器流体速度矢量分布图
图4 四腔消声器的三维流线图
下面图5、图6为四腔消声器静压力分布图与压力损失量的截图。
图5 四腔消声器压力分布图
图6 四腔消声器进出口压力值
四腔消声器压力损失约为3 484 Pa.压力损失的大小基本可与腔体内阻力的大小对等，满足设计要求。
4 基于Virtual.Lab的消声器有限元分析
最后利用Virtual.Lab声学仿真软件对四腔消声器进行传递损失分析，得到四腔消声器的传递损失曲线[6]，结果如图7所示。
图7 四腔消声器压力损失曲线
图7 显示了频率在区间内四腔消声器的消声量，可看出曲线在1 000 Hz附近的消声量最大，说明在1 000 Hz附近消声效果最好。在时突然下降，直到2 300 Hz才缓慢回升，说明在范围内消声器对噪声的消声效果不是很好。
5 结论
本文在设计了一款四腔消声器的基础上，并对其进行实体建模，有限元仿真。得到仿真结果后对消声器的速度，压力，温度等方面进行分析，综合综合得出此款消声器各个性能参数都能满足设计要求。
