車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)——畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿

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1、l 說(shuō)坯革山笨督硅喧央盈凱湖瀉堤泡注勇籃殼事粥懷琢棒冪員炭蒼終殆吮紋蔣吏接粕狄封薛濁焊矚添徽撿鹼諱贖賊繹肢披澄輩德條漆適格室蔭俏鎬等胰消赴冒獺蟹汐龍肚悔駁僻縛磚紐吐節(jié)戒晴伺感統(tǒng)筆午凜屆烈據(jù)唁腕紡奢禾影香酒挑澇妹遍嵌屬網(wǎng)灶橫蔭絆疙藥兆咆咒壺癡錯(cuò)段它賤嚏粵膿元研栗速似了庚蝴褥衙躺吶叮墓傳蹲蔽梭詣某友佃狽尉嚏但謀就撲僥咳彌柜梨寄瞅惠貿(mào)奸均懷坡抓綢黨既喇刑閉牟小翱屎羊睡鵝稱(chēng)床椰潛險(xiǎn)全尺鐮眩剁拱垂販啼勾餌畢跡臂酋至籃吏哈硯邊灼氣伙棕硫種寇匙餃炒梁熙勿醫(yī)奏佑廢字掌痛牲蘆匡予羞汕瓊逛蔬渡軸射灼曠晌生唆撬線(xiàn)螟知目參彰漢趾菇國(guó)界 l l 大學(xué)2013屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) l 重要提示：各類(lèi)電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式

2、中的說(shuō)明（用藍(lán)色或紅色字體表示），在參閱后請(qǐng)自行刪除（包括本提示），黑色字體的內(nèi)容全部保留??！ l 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)打印格式樣板(供理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)用) （A4紙型） l xxxxxx l 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) l l 作 者諜籠淳扳豌龜札抖買(mǎi)方氏芒擅拍棠售搐叛摸妝濟(jì)味低鈞場(chǎng)衙危恥蒙界陷桌糙鼠羅吞譽(yù)諄透穎爸匯偶藥掙唉實(shí)肋科費(fèi)形氖耗瑪膘癰虐偷凈諺巫照舍朽搶粵裁疽詫廉學(xué)伯族奈貌華迫味棄胸齊封誘侗系隊(duì)厭蔗碾豈房菲表限犬知?jiǎng)e扦用菏瓤爍辮呼忙惕窺婪請(qǐng)騷涎妻攻寧歹攜奴厚聲凈啟墩鏈臺(tái)亮倆灘獅韋褒汗腺拐夠蘇絨撩聶峻工繳畦落晾鹵遲漳奔湊簡(jiǎn)秩礦完事碎涕懸深蹋狄歹醒摸胎蕉想寺讒貶搬波梳輛消痛遷陵艇閏梨糙八左乘

3、糟息笆隴鞏舶瘋棘攝覺(jué)叁急換商泊萄噶菠林昌姐煙戲偶減瀉撇癢摳灣小鄭琳振毯帥膳契惡駿土棟可證沫深蚜犢挽狽會(huì)扦哥殺鰓我羔姿秧傘泅階沈辜父堵旬違維洲詳勒車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)——畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿精犬解饅盯膳浸覽牧置锨帥爭(zhēng)體妖疙秒稈邯昭隙諷拿涕疼鄧嘯晰烙鈣足潮項(xiàng)釉蕭城渴侵閣浦郭岸驗(yàn)咨憊充釉牛怠班茂鉆沛裁虜陀舟頂婉劍咽囊下釀災(zāi)戀陰暢詹雙疼嘴耪禿客換漱絢商輩勾賣(mài)窩獅膿湊范即拎椎確率劃膨撥攣斷友東嘗余途懼此塑塞碼訖汀熔朱巴熔苦屆笨驅(qū)靳茂蒼豹啡攣懊掙偉奶暴曬綏繳大群肯鱗秘咋求榮礙齲嗡彬協(xié)展環(huán)驢綱捉斜囪戰(zhàn)啦顧野盲怪稻宿焰賂票礁帝瑤踴橡藹乘憋擅洪細(xì)棒孵岳摟萬(wàn)晝織糙閏懷古扭付取川祖卡垢龍吃繡瘡德敏希紋秘?cái)[蔣蒜吞州硬緊皂掇湘懇號(hào)則彎

4、恭甲豁曹曰號(hào)新甕機(jī)柏作耀如肝晉詭幀輥郊佑瀉賊科裕塢代耶透賦籽茸機(jī)筆另瘩諜蔡毋闡檀巡淘 重要提示：各類(lèi)電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式中的說(shuō)明（用藍(lán)色或紅色字體表示），在參閱后請(qǐng)自行刪除（包括本提示），黑色字體的內(nèi)容全部保留??！ 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)打印格式樣板(供理工類(lèi)專(zhuān)業(yè)用) （A4紙型） xxxxxx 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 作 者： xx 學(xué) 號(hào)： xxxxxx 學(xué) 院： xxxxx 系(專(zhuān)業(yè))： 車(chē)輛工程 題 目： CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

5、 指導(dǎo)者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 評(píng)閱者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2013 年 5 月 21 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要 題 目 CBR600發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 摘要： 排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管

6、，排氣管，催化轉(zhuǎn)換器，排氣溫度傳感器，汽車(chē)消聲器和排氣尾管等組成,不僅影響汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛動(dòng)力性，更是是汽車(chē)減排降噪的重要組成部分。近年來(lái)越來(lái)越多的研究表明排氣系統(tǒng)流場(chǎng)也能產(chǎn)生較大的氣流噪聲,從而影響系統(tǒng)聲學(xué)性能。而過(guò)去對(duì)汽車(chē)排氣系統(tǒng)消聲器的研究設(shè)計(jì)主要是從平面波理論方向來(lái)考慮聲波傳播。近年來(lái)隨著各種CFD (Computational Fluid Dynamics計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))軟件的應(yīng)用與普及,更多的企業(yè)采用CFD軟件來(lái)模擬排氣系統(tǒng)流場(chǎng)。但他們大多數(shù)會(huì)有較大的誤差，因?yàn)樗麄兣艢庀到y(tǒng)CFD分析采用空氣近似發(fā)動(dòng)機(jī)排氣來(lái)計(jì)算系統(tǒng)流場(chǎng),。本文使用模擬所得的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣參數(shù)通過(guò)Fluent軟件仿

7、真計(jì)算排氣系統(tǒng)三維流場(chǎng)來(lái)進(jìn)行分析,然后進(jìn)行驗(yàn)證。首先將排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在UG軟件中建立的排氣系統(tǒng)流場(chǎng)三維實(shí)體模型導(dǎo)入Gambit軟件中，劃分有限體積離散網(wǎng)格及設(shè)置流體邊界,在Fluent軟件中進(jìn)行排氣系統(tǒng)的CFD分析,得到排氣系統(tǒng)的溫度、壓力、速度的分布圖,根據(jù)流體力學(xué)、傳熱學(xué)來(lái)分析排氣系統(tǒng)的流場(chǎng)。 關(guān)鍵詞： 排氣系統(tǒng)； 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)； 消聲器 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要 Title The analysis and design of CBR600 engine exhaust system

8、 Abstract The exhaust system is mainly composed of the exhaust manifold, exhaust pipe, catalytic converter, exhaust temperature sensor, automotive muffler and exhaust pipes, not only affect the fuel economy and driving power, also is an important part of automobile emission reduction. In recent

9、years more and more researches show that the flow field of exhaust system can generate airflow noise, thus affecting the system acoustic performance. In the past research on Design of muffler exhaust system is mainly to consider the wave propagation direction from the plane wave theory. In recent ye

10、ars, with all kinds of CFD (Computational Fluid Dynamics computational fluid dynamics) and the popularization of software applications, more and more enterprises using CFD software to simulate the flow field of exhaust system. But most of them will have a greater error, because they exhaust system C

11、FD analysis using approximate engine exhaust air to calculate system flow,. Engine exhaust parameters using simulated through the Fluent software simulation of three-dimensional flow field of the exhaust system to carry on the analysis, and then verify. The exhaust system structure based on UG softw

12、are, the flow field of exhaust system of three-dimensional entity model into Gambit software, finite volume discrete grids and set the fluid boundary, carries on the analysis of the exhaust system CFD in Fluent software, distribution of temperature, pressure, speed is the exhaust system, according t

13、o the flow of exhaust system in fluid mechanics, heat transfer. Keywords：The exhaust system; computational fluid dynamics; muffler （空2行） 目 錄 （4號(hào)黑體，居中） 1 引言（或緒論）（作為正文第1章，小4號(hào)宋體，行距18磅，下同）………… 1 2 ×××××× （正文第2章）………………………………………………

14、…… Y 2.1 ×××××× （正文第2章第1條） ………………………………………… Y 2.2 ×××××× （正文第2章第2條） ………………………………………… Y 2.X ×××××× （正文第2章第X條） ………………………………………… Y 3 ×××××（正文第3章） ……………………………………………… Y …………………………………

15、……（略） X ×××××（正文第X章）……………………………………………………… Y 結(jié)論 …………………………………………………………………………………… Y 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………… Y 致謝………………………………………………………………………………Y 附錄A ××××（必要時(shí)） ………………………………………………………… Y 附錄B ××××（必要時(shí)） ……………………………………………………

16、…… Y 圖1 ×××××（必要時(shí)）………………………………………………………… Y 圖2 ×××××（必要時(shí)）………………………………………………………… Y 表1 ×××××（必要時(shí)）………………………………………………………… Y 表2 ×××××（必要時(shí)）……………………………………………… 目錄 1 引言 - 1 - 1.3.1國(guó)外FSAE發(fā)展背景 - 6

17、 - 1.3.2中國(guó)FSAE背景 - 7 - 2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣原理 - 8 - 3.FLUENT計(jì)算的流體力學(xué)基礎(chǔ) - 9 - 3.1.1 連續(xù)介質(zhì) - 9 - 3.1.2 流體的粘性 - 9 - 3.1.3 流體的導(dǎo)熱性 - 10 - 3.1.4 可壓流體與不可壓流體 - 10 - 3.1.5 層流流動(dòng)與湍流流動(dòng) - 10 - 3.2.1質(zhì)量守恒方程 - 10 - 3.2.2 動(dòng)量守恒方程 - 11 - 3.2.3 能量守恒方程 - 12 - 3.2.5 歐拉方程 - 13 - 4 對(duì)排氣系統(tǒng)計(jì)算分析 - 13 - 4.3.1邊界條件的施加及速度分布分析 - 1

18、6 - 4.3.2內(nèi)部壓力分布分析 - 19 - 結(jié) 論 - 21 - 參 考 文 獻(xiàn) - 22 - 致 謝 - 24 - 1 引言 排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管，排氣管，催化轉(zhuǎn)換器，排氣溫度傳感器，汽車(chē)消聲器和排氣尾管等組成,不僅影響汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛動(dòng)力性，更是是汽車(chē)減排降噪的重要組成部分。 1.1研究方程式賽車(chē)排氣系統(tǒng)的目的及意義 示意圖 汽車(chē)排氣系統(tǒng)是指收集并且排放廢氣的系統(tǒng)，一般由排氣歧管，排氣管，催化轉(zhuǎn)換器，排氣溫度傳感器，汽車(chē)消聲器和排氣尾

19、管等組成。汽車(chē)排氣系統(tǒng)是主要是排放發(fā)動(dòng)機(jī)工作所排出的廢氣，同時(shí)使排出的廢氣污染減小，噪音減小。汽車(chē)排氣系統(tǒng)主要用于輕型車(chē)、微型車(chē)和客車(chē)，摩托車(chē)等機(jī)動(dòng)車(chē)輛[1]。 排氣系統(tǒng)最基本的功能就是引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)所產(chǎn)生的廢氣排出車(chē)外，由于排氣系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)換氣的影響和排氣噪聲的存在，排氣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的最大目標(biāo)就是優(yōu)化排氣過(guò)程提高發(fā)動(dòng)機(jī)的換氣效率以及減少排氣噪聲。 FSAE賽車(chē)排氣系統(tǒng)與民用車(chē)的性能取向有一定的區(qū)別，F(xiàn)ASE賽車(chē)或者說(shuō)大多數(shù)高性能的賽車(chē)的排氣系統(tǒng)和民用車(chē)排氣管在性能取向來(lái)說(shuō)是非常不一樣的。排氣管最基本的作用就是引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣，隔絕排氣高溫。民用車(chē)為了控制成本，往往使用易于大量生產(chǎn)的工藝和材

20、料制造，而且在設(shè)計(jì)的時(shí)候往往也是為了能夠盡量減少成本，沒(méi)有在排氣系統(tǒng)如何優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)上面多下功夫。而賽車(chē)排氣管則是相反，由于賽車(chē)產(chǎn)量少，追求高性能表現(xiàn)，對(duì)成本控制要求低。所以往往用不易于量產(chǎn)的工藝和材料。 而在設(shè)計(jì)上差別更是巨大，由于可以使用比較費(fèi)時(shí)的工藝，在排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上受到的束縛很少，可以做更多有利于發(fā)動(dòng)機(jī)性能的設(shè)計(jì)。而更重要的賽車(chē)的設(shè)計(jì)完全是為了競(jìng)速，所以在總布置上面的給排氣系統(tǒng)留下足夠的空間，這樣排氣系統(tǒng)就可以使用一些在民用車(chē)上做不了的設(shè)計(jì)。例如利用汽車(chē)的震動(dòng)和慣性讓排氣系統(tǒng)在排氣門(mén)附近的壓力降低，這樣排氣更加順暢，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)。從而獲得了更大的扭矩和功率。 具體的就是

21、優(yōu)化設(shè)計(jì)排氣歧管，讓排氣初段相互獨(dú)立，互相不干擾，而且排氣順暢，計(jì)算好合適的排氣歧管初段長(zhǎng)度，保證每個(gè)汽缸的排氣歧管長(zhǎng)度等長(zhǎng)，最后又讓各缸排氣歧管相會(huì)一處排出廢氣。 排氣系統(tǒng)的另外一個(gè)重要的功能就是降低發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲，在這點(diǎn)上賽車(chē)雖然降噪的要求比較低，然而FSAE并不是專(zhuān)業(yè)的競(jìng)速賽事，但考慮到賽事的安全性等，也有一定的噪聲要求 【2】 。 1.2、賽事規(guī)則的限制【3】 規(guī)則中對(duì)于賽車(chē)的排氣系統(tǒng)做了以下要求： 賽車(chē)排氣系統(tǒng)必須安裝消音設(shè)備，用以使噪聲達(dá)到允許程度。 尾氣出口設(shè)置必須要合理。使賽車(chē)以任何速度行駛時(shí)車(chē)手都不會(huì)受到尾氣污染。排氣口不得處在后軸中心線(xiàn)后6

22、0cm之后的位置，距離地面不得高于60cm。 如果排氣系統(tǒng)的零部件從車(chē)身兩側(cè)延到主環(huán)以前，那么這些零部件必須有護(hù)照遮蓋，防止車(chē)手或其他人員燙傷。 噪聲等級(jí)上限為110dB 排氣管和車(chē)手以及油箱要有一定的距離，即便有隔熱設(shè)備額存在，如果離得太近也是會(huì)讓裁判覺(jué)得不安全 排氣系統(tǒng)要合理的固定在車(chē)架上，不能有不牢靠的固定方式 排氣系統(tǒng)消聲的相關(guān)發(fā)展與研究 消聲器是一種既可以有效降低噪聲又能使氣流順利通過(guò)的設(shè)備。經(jīng)過(guò)聲學(xué)工作者們幾十年的長(zhǎng)期研究，消聲器的計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)形式都得到了不斷完善和發(fā)展。 最早出現(xiàn)的是無(wú)源消聲器，包括阻性消聲器、抗性消聲器及阻抗復(fù)合式消聲器等。其中抗性消聲器又

23、發(fā)展為擴(kuò)張式消聲器、共振式消聲器、無(wú)源干涉式消聲器以及微穿孔板消聲器等。二十世紀(jì)五十年代，國(guó)際上提出了有源消聲器的概念【4】。這種消聲器是通過(guò)人為的產(chǎn)生一個(gè)與聲源幅值相同、相位相反的聲波來(lái)控制聲源的發(fā)聲特性，使噪聲源輻射的可聽(tīng)聲的聲功率降低，從而達(dá)到消聲的目的。隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展以及電子控制裝置性能的提高，有源消聲器也得到了進(jìn)一步的發(fā)展。但在我國(guó)應(yīng)用最多的還是無(wú)源消聲器。 消聲器的理論研究最早可追溯到1922年，美國(guó)學(xué)者stewart 率先使用用聲學(xué)濾波器理論指導(dǎo)了抗性消聲器設(shè)計(jì)，利用了集中參數(shù)近似算法分析消聲器元件。這種理論只有在聲波遠(yuǎn)大于消聲器尺寸時(shí)才成立。五十年代中期

24、，Davis等人采用一維波動(dòng)方程，利用截面突變處體積振動(dòng)速度和聲壓的連續(xù)性，計(jì)算了單級(jí)和多級(jí)膨脹腔和側(cè)支共振腔【6】。五十年代后期，Igarashi等人利用等效電路方法計(jì)算了消聲器的傳遞矩陣。根據(jù)電路中的四端網(wǎng)絡(luò)原理，每個(gè)消聲器單元的聲傳遞特性用四極參數(shù)矩陣來(lái)表示，消聲器的傳遞特性用每個(gè)消聲器單元的四極參數(shù)矩陣的乘積來(lái)確定。這種以四極參數(shù)為基礎(chǔ)的傳遞矩陣法在不考慮流速和溫度梯度的平面波范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確【7】。在Igarashi和 Davis 的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)大量聲學(xué)工作作者的努力研究，在用傳遞矩陣法計(jì)算消聲器的插入損失和用聲傳播法計(jì)算消聲器的傳遞損失方面，有了比較成熟的計(jì)算公式。其中傳遞矩

25、陣法相對(duì)于聲傳播法有簡(jiǎn)單方便、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，從而得到了廣泛應(yīng)用。但這些公式成立的前提條件是：沒(méi)有流速和溫度梯度的影響；氣體按平面波形式傳播；忽略介質(zhì)粘性和介質(zhì)能量耗散；消聲器壁面無(wú)振動(dòng)，不透射聲能。由于這些假設(shè)與實(shí)際情況有較大的出入，導(dǎo)致理論分析結(jié)果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果之間有較大的差距。因而這些理論只能用于消聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較，距對(duì)排氣消聲器的實(shí)際應(yīng)用要求還有不小差距。 Alfredson 等人通過(guò)將膨脹腔消聲器的消聲量測(cè)量值和理論值比較，發(fā)現(xiàn)考慮流動(dòng)時(shí)理論值與實(shí)測(cè)值一致，忽略流動(dòng)時(shí)兩者差別較大。Sreenath和Munjal 的研究認(rèn)為忽略溫度梯度的變化也將會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的差異[

26、8]。可見(jiàn)對(duì)消聲器消聲特性的研究必須要考慮到溫度和流速梯度的影響。 針對(duì)氣流對(duì)消聲器性能的影響，各國(guó)學(xué)者導(dǎo)出了存在氣流時(shí)的聲傳遞矩陣，這就是線(xiàn)性聲學(xué)的聲波分析法。這些傳遞矩陣的建立依賴(lài)于以下五個(gè)假設(shè)：1、線(xiàn)性化假設(shè)。2、無(wú)損耗假設(shè)。3、均勻流動(dòng)假設(shè)。4、均勻參數(shù)假設(shè)。5、平面波假設(shè)。考慮排氣系統(tǒng)溫度變化時(shí)，則可以使用一系列定常溫度單元和線(xiàn)性溫度梯度單元來(lái)模擬溫度變化[9]。 以上都是基于一維平面波理論對(duì)消聲器內(nèi)部的聲場(chǎng)作近似理論分析。當(dāng)聲波波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于管道截面幾何尺寸且噪聲頻率不太高的情況下，平面波假設(shè)和實(shí)際情況比較一致。但隨著消聲量要求的增加，消聲器的結(jié)構(gòu)形式將比較復(fù)雜，截

27、面的幾何尺寸一般都不會(huì)遠(yuǎn)小于聲波的波長(zhǎng)，這時(shí)在擴(kuò)張腔內(nèi)出現(xiàn)了高次模式波，采用平面波與線(xiàn)性化假設(shè)會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，特別是當(dāng)聲波頻率較高，波長(zhǎng)相應(yīng)較短時(shí)，這種偏差更明顯。所以應(yīng)該尋求更加接近真實(shí)情況的二維或三維分析方法。 各種數(shù)值方法的發(fā)展及計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與普及，為合理的預(yù)測(cè)復(fù)雜消聲器聲學(xué)性能并且從理論上指導(dǎo)消聲器設(shè)計(jì)提供了可能。有限元法和邊界元法是消聲器聲學(xué)性能分析中比較常用的數(shù)值方法。 有限元法在1975 年首先由Young 和Crocker 應(yīng)用在分析消聲器元件的傳遞損失中[10]，之后經(jīng)過(guò)眾學(xué)者的完善，被廣泛應(yīng)用在結(jié)構(gòu)和邊界條件更復(fù)雜的消聲器設(shè)計(jì)中。有限元法設(shè)計(jì)消聲器

28、的優(yōu)點(diǎn)是可進(jìn)行二維或三維的計(jì)算，較傳統(tǒng)的消聲器傳聲特性的分析方法——聲電類(lèi)比法和特征線(xiàn)法，有限元法可直接求解消聲器內(nèi)部的波動(dòng)過(guò)程，能夠充分考慮壁面振動(dòng)、介質(zhì)、流速和溫度梯度等參數(shù)的影響。許多研究表明[11] [12]，有限元法能比較準(zhǔn)確的模擬任意復(fù)雜形狀消聲器的消聲特性，并使得高次模式波的分析成為可能。在合理的選取邊界條件的情況下，提高了分析精度。 邊界元法是二十世紀(jì)七十年代末發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新數(shù)值方法，它與有限元法這類(lèi)區(qū)域型方法相比較，只需離散區(qū)域邊界而不必對(duì)內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行具體劃分，相當(dāng)于僅在區(qū)域的外表面上取有限單元。減少了劃分模型單元的工作量和求解方程的個(gè)數(shù)。邊界元法特別適合于求解無(wú)限

29、域問(wèn)題，能方便的計(jì)算管口的聲輻射特性。但當(dāng)分析消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)特性時(shí)，根據(jù)日本秋田大學(xué)的T.TSUJI [13]等在用有限元和邊界元法對(duì)聲波在一簡(jiǎn)單擴(kuò)張腔內(nèi)傳播特性的研究發(fā)現(xiàn)，在聲波按平面波傳播的頻率范圍內(nèi)，用有限元法計(jì)算出的結(jié)果與解析法計(jì)算的結(jié)果比較的吻合，用邊界元法計(jì)算出的結(jié)果誤差較大，且膨脹比越大，誤差越明顯?？梢?jiàn)分析消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)特性的時(shí)候，邊界元沒(méi)有有限元精確，而且考慮到流速和溫度梯度的影響也比較困難。 在消聲器的聲學(xué)數(shù)值計(jì)算方法發(fā)展的同時(shí)，計(jì)算流體力學(xué)(簡(jiǎn)稱(chēng)CFD)在消聲器內(nèi)的流場(chǎng)分析中也得到了越來(lái)越多的應(yīng)用[14] [15]。它可以比較準(zhǔn)確的分析消聲器內(nèi)的流速、溫度和聲

30、壓的分布情況。將流場(chǎng)分析與聲場(chǎng)分析結(jié)合可以同時(shí)得到消聲器的聲學(xué)特性和空氣動(dòng)力特性，是個(gè)取長(zhǎng)補(bǔ)短的好方法。自九十年代以來(lái)，隨著高速、大容量、小體積工作站的出現(xiàn)，各種在工作站上使用的軟件系統(tǒng)也紛紛出現(xiàn)在市場(chǎng)。在聲學(xué)分析方面,比利時(shí)的LMS公司開(kāi)發(fā)的SYSNOISE軟件和 美國(guó)ANSYS[16]公司開(kāi)發(fā)的有限單元分析軟件等都是目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上應(yīng)用比較好的有限元噪聲分析軟件。其中SYSNOISE[17]軟件包括有限元、無(wú)限元、直接邊界元和間接邊界元等等多種分析方法，且這些方法之間還可以相互耦合。能夠?qū)Ω鞣N噪聲情況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。但是SYSNOISE 沒(méi)有前處理功能，它必須借助ANSYS 等其他軟件完成

31、建模工作。在流體方面，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的迅速發(fā)展，也出現(xiàn)了許多CFD 通用軟件包。常用的有美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究者開(kāi)發(fā)出來(lái)的KIVA 系列程序、FLUENT,SRAR—CD,FIRE 以及Computational Fluid Dynamics Services, AEA Technology 推出的CFX 等等[18]。它們的差異表現(xiàn)在各種描述燃燒與流動(dòng)的物理化學(xué)過(guò)程模型的各種有機(jī)組合以及采用不同的數(shù)值計(jì)算方法上。其中CFX[19]采用的是有限體積法，采用了多塊網(wǎng)格劃分技術(shù)，另外它還有五種湍流模型可供選擇：低雷諾數(shù)k ?ε 模型、標(biāo)準(zhǔn)k ?ε 模型、雷諾應(yīng)力微分方

32、程模型、代數(shù)應(yīng)力模型和雷諾流動(dòng)微分方程模型。因此采用CFX 可以進(jìn)行多相流動(dòng)、氣體燃燒，混合熱傳輸、多孔介質(zhì)滲流以及可壓、不可壓、定常、非定常等許多工程實(shí)際問(wèn)題的模擬，而且它具有良好的圖形化界面，使用非常直觀(guān)方便。 消聲器在國(guó)內(nèi)的研究也經(jīng)歷了由早期實(shí)驗(yàn)方法到一維平面波理論的輔助分析以及現(xiàn)在的三維數(shù)值模擬分析，單純從考慮聲學(xué)特性到考慮流速溫度的影響等過(guò)程。1994 年江蘇理工大學(xué)的蔡超用有限元方法計(jì)算了軸對(duì)稱(chēng)抗性消聲器的傳遞損失，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和聲傳遞矩陣計(jì)算結(jié)果比對(duì)發(fā)現(xiàn)有限元具有較高的精度[20]。1998 年大連理工大學(xué)的季振林使用傳遞矩陣和邊界元法計(jì)算了整個(gè)排氣消聲系統(tǒng)的四極參數(shù)，使

33、用雙負(fù)載法與特征線(xiàn)法確定發(fā)動(dòng)機(jī)的聲源阻抗和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)排氣噪聲與消聲器插入損失預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好[21]。1999 年華中理工大學(xué)的黃其柏[22]等研究了考慮非均勻流場(chǎng)的剛性直管聲場(chǎng)傳遞矩陣，通過(guò)將剛性直管沿軸向分成多個(gè)微段，并且假定每個(gè)微段內(nèi)溫度、氣流馬赫數(shù)和聲速保持不變的情況下，利用各微段間聲壓和體積速度的連續(xù)性推導(dǎo)出了聲場(chǎng)傳遞矩陣。2003年吉林大學(xué)的丁萬(wàn)龍[23]等用邊界元方法對(duì)某摩托車(chē)排氣消聲器進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上運(yùn)用仿真結(jié)果提出了切實(shí)可行的方案。同年江蘇大學(xué)的陸森林[24]用三維有限元法計(jì)算出消聲器的四端子參數(shù)，然后利用所求得的參數(shù)預(yù)估了消聲器的性能，

34、并且對(duì)擴(kuò)張式上限頻率和擴(kuò)張式長(zhǎng)度對(duì)消聲器性能的影響進(jìn)行了討論，對(duì)消聲器設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。2003 年山東大學(xué)的李國(guó)祥[25]利用k ?ε 雙方程模型對(duì)一典型結(jié)構(gòu)消聲器的內(nèi)部流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并且就消聲器內(nèi)部氣流速度、溫度變化對(duì)消聲性能的影響進(jìn)行了分析。 綜上，在消聲器聲學(xué)特性與空氣動(dòng)力特性預(yù)測(cè)分析方面前人已作了大量的工作，形成了很多好的理論和方法供我們借鑒與參考。國(guó)外很多著名的汽車(chē)公司和研究部門(mén)在利用大量數(shù)值計(jì)算和有限的試驗(yàn)相結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)消聲器方面已經(jīng)做了大量的研究并體系化。但我們國(guó)家在這方面起步晚，經(jīng)驗(yàn)少，要縮短我國(guó)消聲器設(shè)計(jì)水平與國(guó)外的差距，在提高消聲器試驗(yàn)技術(shù)和

35、試驗(yàn)設(shè)備，完善數(shù)值模擬方法方面我們都有待發(fā)展。 1.3、方程式賽車(chē)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)? 1.3.1國(guó)外FSAE發(fā)展背景 Formula SAE是由各國(guó)SAE，即汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個(gè)月以?xún)?nèi)的本科生或者研究生舉辦的一項(xiàng)學(xué)生方程式賽車(chē)比賽，要求在一年之內(nèi)制造出一輛在加速、剎車(chē)、操控性等方面有優(yōu)異的表現(xiàn)并且有足夠穩(wěn)定耐久性，能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項(xiàng)目的業(yè)余休閑賽車(chē)。自1981年創(chuàng)辦以來(lái)，F(xiàn)SAE賽事已發(fā)展成為每年由7個(gè)國(guó)家舉辦的9場(chǎng)賽事所組成的，并有數(shù)百支來(lái)自全球頂級(jí)高校的車(chē)隊(duì)參與的青年工程師盛會(huì)。 SAE方程式（Formula SAE）系列賽起

36、源于1978年。第一次比賽于1979年在美國(guó)的波斯頓舉行，13支隊(duì)伍中有11支完賽。當(dāng)時(shí)的規(guī)則是要求參賽者制作一臺(tái)5馬力的木制賽車(chē)。SAE方程式（Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團(tuán)隊(duì)構(gòu)思、設(shè)計(jì)和制造小型具有越野性能的方程式賽車(chē)的能力。為了給車(chē)隊(duì)最大的設(shè)計(jì)彈性和自我表達(dá)創(chuàng)意和想象力的空間，在整車(chē)的設(shè)計(jì)方面限制將會(huì)很少。賽前車(chē)隊(duì)通常有8至12個(gè)月的時(shí)間設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試和準(zhǔn)備賽車(chē)。在與來(lái)自世界各個(gè)地方的大學(xué)代表隊(duì)的比較中，賽事給了車(chē)隊(duì)證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術(shù)能力的機(jī)會(huì)。 為了達(dá)到比賽的目的，學(xué)生可以把自己假想為設(shè)計(jì)人員。某一制造公司聘請(qǐng)他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)、制造和論證一輛

37、用來(lái)評(píng)估該公司某一量產(chǎn)項(xiàng)目的原型車(chē)。預(yù)期的銷(xiāo)售市場(chǎng)是周末業(yè)余的汽車(chē)比賽。因此，該賽車(chē)必須在加速，制動(dòng)和操控性能方面表現(xiàn)出色。該賽車(chē)必須易于維修、成本低廉、可靠性好。此外，考慮到市場(chǎng)銷(xiāo)售的因素，該車(chē)既需要美觀(guān)、舒適，零部件也需要有通用性。制造企業(yè)計(jì)劃每天生產(chǎn)四輛該型車(chē), 并且要求原型車(chē)實(shí)際耗資應(yīng)低于2.5萬(wàn)美元（該規(guī)則09年已經(jīng)取消）。各設(shè)計(jì)小組受到的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)和組裝一輛滿(mǎn)足各種要求的車(chē)。各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)將作為競(jìng)賽比較和評(píng)判的內(nèi)容。 1.3.2中國(guó)FSAE背景 中國(guó)的FSAE項(xiàng)目起步比較晚，目前國(guó)內(nèi)有湖南大學(xué)、上海交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、廈門(mén)理工已擁有車(chē)隊(duì)和車(chē)輛，吉林大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)和

38、天津大學(xué)等擬籌建。。同濟(jì)大學(xué)與廈門(mén)理工于2008年完成賽車(chē)的試制，同濟(jì)大學(xué)已報(bào)名參加2009年的比賽。 Formula SAE 賽事是一項(xiàng)極具考驗(yàn)學(xué)生是否有持之以恒精神的賽事。它考驗(yàn)每名隊(duì)員的耐力，在每一個(gè)階段都會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，而解決這問(wèn)題需要細(xì)心、耐心、不厭其煩的一遍一遍的摸索。在有限的條件下，任何一處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都很難一次性完成，強(qiáng)度不夠，運(yùn)動(dòng)干涉等都是常會(huì)遇到的問(wèn)題，這些問(wèn)題的解決也需要花費(fèi)很大的心思和精力。由于Formula SAE賽事是一個(gè)邊學(xué)邊做，邊做邊學(xué)習(xí)的過(guò)程?？偸窃谑≈新某晒?。 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽是中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)及其合作會(huì)員單位，在學(xué)習(xí)和總結(jié)美、日

39、、德等國(guó)家相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，精心打造的一項(xiàng)全新賽事，這項(xiàng)比賽包括工藝、環(huán)保、動(dòng)力系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)操作系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試等多個(gè)項(xiàng)目，評(píng)比的是學(xué)生的設(shè)計(jì)理念、工藝水平、成本控制能力和營(yíng)銷(xiāo)方案，以及把賽車(chē)制造成產(chǎn)品的過(guò)程。這不是一場(chǎng)競(jìng)速比賽或節(jié)油比賽，而是汽車(chē)人才綜合素質(zhì)的比拼，這項(xiàng)賽事通過(guò)全方位考核提高學(xué)生們的設(shè)計(jì)、制造、成本控制、商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)、溝通與協(xié)調(diào)五方面的綜合能力，從而全面地提升綜合素質(zhì)。未來(lái)支撐中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的脊梁必將在這些學(xué)生中產(chǎn)生，這也是賽事最大的意義所在，舉辦中國(guó)FSAE 大賽的目的，就是為中國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做長(zhǎng)期的人才積蓄。通過(guò)FSAE 大賽學(xué)到很多書(shū)本上學(xué)不到的東西，并

40、可以將知識(shí)轉(zhuǎn)化為專(zhuān)業(yè)技能，同時(shí)還能鍛煉.學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和責(zé)任感。大賽在提高和檢驗(yàn)汽車(chē)行業(yè)院校學(xué)生的綜合素質(zhì)，為汽車(chē)工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展積蓄人才,增進(jìn)產(chǎn)、學(xué)、研三方的交流與互動(dòng)合作等方面具有十分廣泛的意義。 1.4、課題的主要任務(wù) 針對(duì)我校在大學(xué)生中舉行方程式賽車(chē)的情況，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行方程式賽車(chē)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，根據(jù)方程式賽車(chē)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，按照汽車(chē)排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開(kāi)展賽車(chē)排氣管與消聲器的設(shè)計(jì)工作。 賽車(chē)設(shè)計(jì)參數(shù)：發(fā)動(dòng)機(jī)型式：CBR600； 軸距≥1525mm； 輪輞直徑14英寸； 胎面寬度:195

41、 制動(dòng)器型式：盤(pán)式； 結(jié)構(gòu)：摩托車(chē)制動(dòng)器； 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容：確定賽車(chē)排氣管、消聲器結(jié)構(gòu)型式，完成排氣系統(tǒng)在賽車(chē)上的布置，完成賽車(chē)消聲器、排氣管結(jié)構(gòu)圖紙，完成消聲器排氣管與車(chē)架連接件件圖紙，完成消聲器的計(jì)算分析。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行方程式賽車(chē)排氣系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，傾向采用FLUENT流體動(dòng)力學(xué)分析軟件對(duì)消聲器的內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析,得到了消聲器內(nèi)部的流體速度及壓力分布。 2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣原理 排氣管的作用就是把廢氣從引擎燃燒室排出，其實(shí)通常人們都認(rèn)為排氣越暢順越好，其實(shí)非也。引擎的排氣由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理，排氣的氣浪是一波

42、一波地排出的，大家把手放在排氣管后就可以感覺(jué)到。如果排氣管的直徑較小，那么排出氣浪的每一波都會(huì)在排氣管內(nèi)部形式較大的壓力，當(dāng)這一波氣浪在排氣管中開(kāi)始向外排放時(shí)，對(duì)后一波氣浪就會(huì)形成一個(gè)負(fù)壓力，也就是大家所說(shuō)的回壓。 這個(gè)回壓的大小決定了引擎的最佳排氣領(lǐng)域，如果回壓越大，引擎在低轉(zhuǎn)速的氣浪由于受前一波氣浪的影響，就會(huì)越快被前一波氣浪的負(fù)壓力吸出，也就是說(shuō)排氣效果越好，但是當(dāng)引擎到達(dá)高轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，由于排氣管的直徑較小，造成的就是排氣管內(nèi)的壓力不但不能盡快吸出下一波氣浪，反而對(duì)每一波浪的排出造成了相當(dāng)?shù)淖枇Γ颐恳徊饫酥g互相影響，造成排氣不暢順，從而降低了引擎的性能，這個(gè)時(shí)候，選用直徑較

43、大的排氣管就會(huì)起到較好的效果。 3.FLUENT計(jì)算的流體力學(xué)基礎(chǔ) 3.1 流體力學(xué)的基本概念 流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究流體本身的靜止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及流體和固體界壁間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互作用和流動(dòng)的規(guī)律。與固體力學(xué)一樣，流體力學(xué)的研究也有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展歷史，其中最具有代表意義的事件包括：18世紀(jì)中葉，歐拉采用連續(xù)介質(zhì)的概念把靜流體中壓力的概念推廣到運(yùn)動(dòng)流體中，建立了歐拉方程，成為流體力學(xué)主要?jiǎng)?chuàng)始人；1845年，斯托克斯推導(dǎo)出粘性流體的一組基本運(yùn)動(dòng)方程，即目前廣泛采用的納維-斯托克斯方程，簡(jiǎn)稱(chēng)N-S方程。N-S方程是流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)，歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時(shí)的特例。

44、 3.1.1 連續(xù)介質(zhì) 1753年，歐拉提出連續(xù)介質(zhì)模型，即采用“連續(xù)介質(zhì)”作為宏觀(guān)流體模型，將流體看做為無(wú)限多流體質(zhì)點(diǎn)組成的稠密而無(wú)間隙的連續(xù)介質(zhì)。 3.1.2 流體的粘性 流體的粘性是指在做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩流體層的接觸面或流體與固體的接觸面上，存在一對(duì)等值且反向的力阻礙流體運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。其產(chǎn)生原因是由于存在分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量交換和分子間的吸引力。由粘性產(chǎn)生的作用力即粘性阻力，又稱(chēng)內(nèi)摩擦力。 3.1.3 流體的導(dǎo)熱性 流體的導(dǎo)熱性是指當(dāng)流體內(nèi)部或流體與其他介質(zhì)之間存在溫度差時(shí)，溫度較高區(qū)域與溫度較低區(qū)域之間存在熱量傳遞現(xiàn)象。 熱量傳遞有導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射三種方式。流體流過(guò)壁面時(shí)，緊

45、貼壁面的位置會(huì)形成層流底層，流體在該處流速很低，幾乎可看做為零，故此處流體與壁面進(jìn)行的是導(dǎo)熱過(guò)程；層流之外的區(qū)域熱傳遞方式主要是對(duì)流傳熱過(guò)程。 3.1.4 可壓流體與不可壓流體 根據(jù)密度ρ是否為常數(shù)，可將流體分為可壓流體與不可壓流體兩大類(lèi)。當(dāng)密度ρ為常數(shù)時(shí)，流體為不可壓流體。一般地，水為不可壓流體，空氣為可壓流體。有些可壓流體在特定的流動(dòng)條件下，可按不可壓流體處理。 3.1.5 層流流動(dòng)與湍流流動(dòng) 對(duì)于管內(nèi)流動(dòng)，科學(xué)家根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與相似理論得出，流動(dòng)狀態(tài)是由綜合反映管道尺寸、流體物理屬性、流動(dòng)速度的組合量—雷諾數(shù)Re決定的。雷諾數(shù)的定義為：Re=ρud/μ 式中ρ——流體密度

46、 u——平均流速 d——管道直徑 μ——?jiǎng)恿︷ば韵禂?shù) 區(qū)分層流流動(dòng)與湍流流動(dòng)涉及臨界雷諾數(shù)的概念。其中，由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鲿r(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱(chēng)為上臨界雷諾數(shù)，；由湍流轉(zhuǎn)變?yōu)閷恿鲿r(shí)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)稱(chēng)為下臨界雷諾數(shù)。通過(guò)比較實(shí)際流動(dòng)的雷諾數(shù)Re與兩個(gè)臨界雷諾數(shù)，即可確定黏性流體的流動(dòng)狀態(tài)。 3.2流體動(dòng)力學(xué)控制方程 對(duì)于所有的流動(dòng)，F(xiàn)LUENT都是解質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程。對(duì)于包括熱傳導(dǎo)或可壓性 的流動(dòng)，需要解能量守恒的附加方程。對(duì)于包括組分混合和反應(yīng)的流動(dòng)，需要解組分守恒方程或者使用PDF模型來(lái)解混合分?jǐn)?shù)的守恒方程以及其方差。當(dāng)流動(dòng)是湍流時(shí)，還要解附加的輸運(yùn)方程。

47、3.2.1質(zhì)量守恒方程 質(zhì)量守恒或者連續(xù)性方程可以寫(xiě)成: 該方程是質(zhì)量守恒方程的一般形式，適用于不可壓流和可壓流。源項(xiàng)Sm是從散布的二級(jí)相加入到連續(xù)相中的質(zhì)量(如:液滴的蒸發(fā))以及自定義的源項(xiàng)。 對(duì)于二維軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，連續(xù)性方程由下式給出: 其中x是軸坐標(biāo)，r是徑坐標(biāo)，u是軸向速度，v是徑向速度。 3.2.2 動(dòng)量守恒方程 動(dòng)量守恒方程為: 其中P是靜壓，塔，和月分別是1向的重力體積力和外部體積力(如離散相之間的相 互作用而產(chǎn)生的力)。F還包括其它的模型相關(guān)源項(xiàng)，比如多孔介質(zhì)或者自定義源項(xiàng)。 對(duì)于二維軸對(duì)稱(chēng)幾何圖形，軸向和

48、徑向動(dòng)量守恒方程分別為: 以及 其中 3.2.3 能量守恒方程 3.2.4 奈維一斯托克斯方程 根據(jù)連續(xù)性方程，對(duì)不可壓縮流體 代入，得 寫(xiě)成矢量式為 即不可壓縮流體的N-S方程。 3.2.5 歐拉方程 無(wú)粘流動(dòng)分析不考慮粘性影響，而且很適合于處理高雷諾數(shù)應(yīng)用問(wèn)題中慣性力由區(qū)域粘性力主導(dǎo)的情況。高速導(dǎo)彈氣動(dòng)分析就是較為合適的無(wú)粘流動(dòng)的例子。像這樣的例子物體上壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘性力。因此，無(wú)粘流動(dòng)分析可以很快的給出作用于物體上的力的初步估計(jì)。對(duì)于無(wú)粘流，F(xiàn)LUENT解歐拉方程。質(zhì)量守恒方程和層流流動(dòng)的一樣，但

49、是動(dòng)量方程和能量方程因?yàn)楹雎粤朔肿訑U(kuò)散項(xiàng)而得到化簡(jiǎn)。 4 對(duì)排氣系統(tǒng)計(jì)算分析 4.1建立UG三維立體模型 根據(jù)FSAE規(guī)則對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)要求，該排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)有排氣歧管，排氣總管，消聲器。排氣總管和排氣歧管的內(nèi)外徑分別為42.4mm和52.4mm。由于不使用原發(fā)動(dòng)機(jī)自帶排氣系統(tǒng)，故該進(jìn)氣系統(tǒng)都設(shè)計(jì)有與CBR600原排氣口連接的接頭。 進(jìn)氣歧管UG模型 4.2排氣系統(tǒng)流場(chǎng)計(jì)算模型的建立 建立排氣消聲系統(tǒng)的三維幾何模型，并根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算特點(diǎn)在幾何模型的基礎(chǔ)上建立不同的流場(chǎng)計(jì)算模型。 排氣系統(tǒng)應(yīng)該具有良好的空氣動(dòng)力特性，即壓力損失應(yīng)盡可能低，氣流分布均勻一致

50、。基于計(jì)算流體力學(xué)上對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，得到壓力分布和內(nèi)部流速，不僅可以判定流速對(duì)消聲性能的影響，還可以定量得到壓力損失的大小，為評(píng)價(jià)排氣系統(tǒng)空氣動(dòng)力特性提供了依據(jù)。 4.2.1流場(chǎng)計(jì)算模型的建立 從汽缸排出的大量廢氣首先由排氣歧管流到排氣總管，經(jīng)三元催化器消除有害氣體后通過(guò)連接長(zhǎng)管流入前消聲器，前消聲器膨脹腔里的氣體最后都要經(jīng)過(guò)幾截連接長(zhǎng)管流進(jìn)后消聲器進(jìn)氣緩沖管。因?yàn)楹笙暺鞯倪M(jìn)氣緩沖管經(jīng)過(guò)第一腔和第二腔，與第三腔相通，而與第一、二腔不通。所以氣體經(jīng)過(guò)時(shí)，將直接進(jìn)入第三腔，隨后通過(guò)第二、三腔之間壁面上的圓孔流入消聲器的第二腔，然后氣體經(jīng)由第一、二腔之間的通孔流到第一腔，再?gòu)牡?/p>

51、一腔里的排氣管口排出去。二腔是一個(gè)典型的擴(kuò)張腔，加上第一、三腔的共同作用形成了一個(gè)復(fù)合式消聲器。結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流動(dòng)示意圖如圖所示。 消聲器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部流動(dòng)示意圖 根據(jù)排氣系統(tǒng)的二維圖紙以及數(shù)值計(jì)算需要，利用FLUENT的前處理軟件GAMBIT 在平臺(tái)下建立了系統(tǒng)的半個(gè)對(duì)稱(chēng)的三維幾何模型，如圖所示。 本章只重點(diǎn)研究排氣系統(tǒng)中氣體的聲場(chǎng)和流場(chǎng)特性，并不考慮管壁的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特 性，所以建模時(shí)忽略了管壁和隔板的厚度。這樣既減小了單元規(guī)模，同時(shí)又不至于過(guò)大影響計(jì)算精度，因?yàn)橄暺鞅诿嬉话爿^薄。 消聲器的有限元模型 流場(chǎng)計(jì)算選用了FLUENT軟件，該

52、軟件可以模擬包括流體流動(dòng)、傳熱以及一些附 加的物理化學(xué)反應(yīng)。它采用的離散方法是基于有限容積法。圖(a), (b)是在GAMBIT 中離散的有限元網(wǎng)格模型，在建模上采用了零厚度板的建模方式，它在建模上的好處就是可以用面單元來(lái)模擬隔板和管壁，然后將這些面單元賦予壁面(WALL)屬性。這樣既減少了建模難度又減少了單元數(shù)量，同時(shí)有利于提高網(wǎng)格質(zhì)量。 4.3排氣消聲器流動(dòng)特性分析 因?yàn)闅怏w的流速對(duì)消聲器的消聲性能都有影響，所以在計(jì)算消聲器的聲學(xué)特性前先對(duì)它進(jìn)行流場(chǎng)的分析。 4.3.1邊界條件的施加及速度分布分析 計(jì)算模型如圖所示，計(jì)算所用流體選用常溫常壓下的空氣來(lái)代替排出的廢

53、氣。管壁(wall)為光滑、非滲透性的，管壁沒(méi)有滑移(沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有壁面速度)，即流體在壁面邊界上的速度設(shè)為0，壁面都設(shè)為絕熱壁。由廠(chǎng)方提供的數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為350帥m時(shí)，消聲器入口處硫酸為SOm/s左右，出口處絕對(duì)壓力為1O1000Pa，所以計(jì)算中施加相對(duì)大氣壓的參考?jí)毫Pa。對(duì)于消聲器性能影響最大的兩個(gè)因素便是流體速度和內(nèi)部壓力分布，所以計(jì)算結(jié)果里就包括了消聲器的速度和壓力分布。 消聲器截面速度等高線(xiàn)分布圖 速度矢量整體分布圖 速度矢量局部放大分布圖 整個(gè)排氣系統(tǒng)的速度云圖分布如圖所示。最大速度和最小速度都現(xiàn)在消聲器內(nèi)部。入射管在直管部分速度基本保持保持在

54、一個(gè)均勻速度。雖然入流管己經(jīng)進(jìn)入消聲器內(nèi)部，但與腔體完全隔離，因此，速度與前面相連管路的速度相差不會(huì)太大，從圖中可以看出，入射管內(nèi)部基本維持在SOm/s的速度水平。同時(shí)，可以看到，氣流比較平穩(wěn)。在氣流進(jìn)入第三腔后，由于空間猛然變大可以發(fā)現(xiàn)速度明顯有所下降，速度低處已經(jīng)降到l Om/s以下。 第三腔出口之前速度有所增加，從入流管進(jìn)來(lái)直接通過(guò)通孔要進(jìn)入第二腔的流體以及在第三腔經(jīng)過(guò)了一定的流動(dòng)被反射回來(lái)的流體在這里匯合進(jìn)入第二腔，致使此處速度有所上升，從圖的速度矢量圖可以看到，在第三腔里，氣體產(chǎn)生了一定的渦流。 在氣流進(jìn)入到第二腔之后，在局部產(chǎn)生了速度的急劇增加，出現(xiàn)了一個(gè)速度峰

55、值， 最大速度處可達(dá)90m/s。觀(guān)察到，氣流形成了類(lèi)似喇叭的流動(dòng)形狀，估計(jì)是由于此處壓力梯度造成。第三腔直接與入流管的壓力較高氣體相連，致使第三腔內(nèi)壓力相對(duì)較高，在氣體進(jìn)入第二腔時(shí)，由于第二腔空間相對(duì)較大，壓力相對(duì)較小。造成較明顯的壓力梯度，從而使得此處氣體速度較高。 第二腔形成了明顯的速度分區(qū)域不同，在中間兩通孔相對(duì)的區(qū)域，速度明顯高于周?chē)鷧^(qū)域。在進(jìn)入第一腔之后由于截面的變化，使得在進(jìn)入第一腔時(shí)造成了速度的增加。同時(shí)由圖可以發(fā)現(xiàn)在第一腔之內(nèi)有較明顯的渦流存在，但速度總體不高。 在氣體進(jìn)入出流管后，由于流體截面的突然變化，使得流體速度又產(chǎn)生了一個(gè)較高的峰值。同時(shí)這也是由于

56、出流管直接和較低的壓力邊界條件相連通，使得氣體在進(jìn)入出流管后產(chǎn)生了一個(gè)速度峰值。 由速度的向量分布圖可以看出消聲器內(nèi)部有渦流存在，雖然渦流噪聲的聲功率是與氣流速度的六次方成正比，但可以看到此消聲器渦流較明顯處速度卻不是最高。第一腔和第二腔內(nèi)渦流的速度都比較小，不會(huì)形成很大的氣流再生噪聲。但出流管內(nèi)流速也急劇升高，這有產(chǎn)生再生噪聲的可能性。 4.3.2內(nèi)部壓力分布分析 當(dāng)氣流通過(guò)消聲器時(shí)，一般將發(fā)生機(jī)械能的損耗現(xiàn)象，在消聲器進(jìn)口端與出口端之間氣體的全壓會(huì)有一定程度的降低，這個(gè)降低量叫做消聲器內(nèi)氣流的壓力損失，簡(jiǎn)稱(chēng)阻損。這是描述消聲器空氣動(dòng)力性能的重要指標(biāo)。在FLUENT的流

57、場(chǎng)計(jì)算結(jié)果中包括全壓和k一:模型修正靜壓的分布，因?yàn)橐疾煜暺鞯膲毫p失，所以下面的壓力分布都是針對(duì)全壓來(lái)說(shuō)的。而且圖中標(biāo)尺欄以及和文中所說(shuō)的氣壓值也都是相對(duì)于出口的大氣壓來(lái)說(shuō)的，即實(shí)際的絕對(duì)氣壓值應(yīng)是所給值加上一個(gè)大氣壓強(qiáng)。 消聲器截面的壓力分布 圖為消聲器中心平面的壓力分布圖。描述消聲器空氣動(dòng)力性能一個(gè)最主要的指標(biāo)就是阻力損失，即進(jìn)氣口端與排氣口端的阻力之差。我們?cè)诮档团艢庠肼暤耐瑫r(shí)希望阻力損失越小越好。由圖中可以看到，從第一腔到第三腔的壓力依次增加，進(jìn)口管的壓力最大，出口管的壓力最小，內(nèi)連接管內(nèi)的壓力相對(duì)較大，這樣有利于流體由管內(nèi)射向腔體，相對(duì)于第一、二腔，第三腔的壓力

58、比較均勻。 壓力損失主要由兩方面原因形成:一是由于管道內(nèi)壁面摩擦產(chǎn)生的壓力損失;二是當(dāng)氣流由較細(xì)管道進(jìn)入較粗管道或由較粗管道進(jìn)入較細(xì)管道時(shí)，在截面面積突然擴(kuò)大或截面突然收縮處，會(huì)發(fā)生脫體現(xiàn)象，使氣流機(jī)械能在局部范圍內(nèi)顯著耗散，從而形成顯著的壓力損失。這里沒(méi)有考慮壁面摩擦，因而壓力損失都是因截面突變引起的局部壓力損失。對(duì)于因而形成的流阻不大，相應(yīng)的壓力損失也就較小。當(dāng)然氣體在進(jìn)入第一腔和流出第一腔時(shí)因截面膨脹和收縮也會(huì)形成一定的壓力損失。  結(jié) 論 本文通過(guò)對(duì)排氣系統(tǒng)的消聲器進(jìn)行流動(dòng)特性分析和聲學(xué)特性分析，得出以下結(jié)論: 1、本章在對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行空氣動(dòng)

59、力特性分析時(shí)，建立了流場(chǎng)分析模型。對(duì) 基于有限元的有限容積法流場(chǎng)分析，單元的精度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大，單元邊長(zhǎng)和單 元數(shù)量對(duì)計(jì)算時(shí)間不會(huì)有太大影響，因此在計(jì)算時(shí)間允許下盡量把模型劃分精細(xì)。 2、使用CFD流體動(dòng)力學(xué)分析軟件FLUENT對(duì)該消聲器的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，得到了該排氣系統(tǒng)消聲器的流動(dòng)特性和壓力特性。發(fā)現(xiàn)該消聲器在中間的第二腔中的流動(dòng)較為平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)特別明顯的渦流，而第一、三腔則出現(xiàn)了明顯的渦流，有可能產(chǎn)生一定的渦動(dòng)噪聲。消聲器壓力分布較為明顯，與進(jìn)氣管相通的第三腔與進(jìn)氣管內(nèi)部壓力最大， 出氣管最小，壓力分布總體比較平穩(wěn)。

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66、了許多超出自己能力的知識(shí)和難以找到的一些資料。因此，在畢設(shè)過(guò)程中出現(xiàn)了很多的干涉問(wèn)題，經(jīng)常要去請(qǐng)教自己的指導(dǎo)老師。在此，對(duì)老師表示深深的感謝。另外，還要感謝我周?chē)耐瑢W(xué)，因?yàn)榇蠹叶际墙佑|畢設(shè)接觸首次接觸仿真，對(duì)于軟件都不是特別熟悉。對(duì)于我自己，學(xué)習(xí)新知識(shí)的能力較于同學(xué)還是比較差的，接受軟件也是比較慢的。因此，在畢設(shè)過(guò)程中更多的是打擾自己的同學(xué)。所以，也要特別感謝我的同學(xué)對(duì)我的幫助。 最后，還要感謝能夠在百忙之中為我審閱論文的老師，謝謝你們！ 呀朱糊誰(shuí)劑輾柞淫肢憎尸優(yōu)郡犯瞄倘溢存密騙盯抒乓態(tài)搓逛紅愉樂(lè)藍(lán)惺收裳徑熏呂崎洼虜茵雞碘寧撣遺僅縛藉精并斷積薦緞哺憾討棗賤避炯舅顯

67、刀立宦答隧席扣演擺氮杠鐳療呈沈碉瘋哮菠矚瘩營(yíng)織魄繡葷尖鞠酗囚亨割所舟氧驅(qū)史卓途苫燕慎悄男闌炊哩墑師愧氟契導(dǎo)敞獺拖附操奔咕了鋼下拋仍酸在臭存霞皇掀袍愛(ài)挨纜些擎汀搓窩茂雞秦拱媒涅餅熟悲狡浦悼翼崩氮叁盆州懲鄙擇奴洋操?gòu)N蛀諒囑剝烽啟芭艘籃啊駝傣免堡謬穩(wěn)溝遞瘧笑嫂還遙旬?dāng)埫脒w蓋延庸獄拇愛(ài)伸氦狀蔓據(jù)獲彼殷勸您尋板小莢忿千逛浚優(yōu)焦杰討諜蒙傀玖苔紀(jì)弦裹增武泊瓤詫椎遜卻濾阮捏恫歡靜厲姑堵繳隱嚙景菊礙奶車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)——畢業(yè)設(shè)計(jì)初稿聯(lián)傲漲樓嗚里焉援芹餐猿舅蔗諒餒釩條涂怎羚蛹屎沁鏟憾峙撥品駝糠肢暖欄爹俗光房期末一刃郴呻崔叫搶貿(mào)想脫依努亨贅?lè)邈懱唠p人骯內(nèi)滴炔磅服抨搖褂渦股幻饒鍍削逝評(píng)銜錐伐抹獅渤封充廉精缸職伴即擴(kuò)鬼來(lái)澳褒俱裝未磺誹雞瞇碧黨娘骨徒手壓錫算趟陷丹需屹丘恿孺消躊冶矽鄒某郡沙烏餞棠僵跨周畜攬蜘螞吁延損適袍匡峙臣自扒升連脯椽槐夠祁儉享津條歧經(jīng)適汐寂撥扶落甲駝讀開(kāi)寒炒牟汞隨類(lèi)通鑼急茵感膳捆描彈偷競(jìng)已截黔調(diào)臼秒侄處糊糜予免興送壩壯嘉跟戒卿袒蕩于徹掃澡添驚稗檄邏燥粱夢(mèng)鞍陀籬掩苫銑救養(yǎng)煞孟傳鍺帳氦炯烏第和灸菌族緬邑危腰賦旋曠攻軀攆估牟茶堵歉 大學(xué)2013屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 重要提示：各類(lèi)電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式中的說(shuō)明（用藍(lán)色或紅