CBR600发动机排气系统设计分析Word下载.docx

1、近年来越来越多的研究表明排气系统流场也能产生较大的气流噪声,从而影响系统声学性能。而过去对汽车排气系统消声器的研究设计主要是从平面波理论方向来考虑声波传播。近年来随着各种CFD （Computational Fluid Dynamics计算流体动力学）软件的应用与普及,更多的企业采用CFD软件来模拟排气系统流场。但他们大多数会有较大的误差，因为他们排气系统CFD分析采用空气近似发动机排气来计算系统流场,。本文使用模拟所得的发动机排气参数通过Fluent软件仿真计算排气系统三维流场来进行分析,然后进行验证。首先将排气系统结构在UG软件中建立的排气系统流场三维实体模型导入Gambit软件中，划分有

2、限体积离散网格及设置流体边界,在Fluent软件中进行排气系统的CFD分析,得到排气系统的温度、压力、速度的分布图,根据流体力学、传热学来分析排气系统的流场。关键词： 排气系统； 计算流体动力学； 消声器毕业设计（论文）外文摘要Title The analysis and design of CBR600 engine exhaust system AbstractThe exhaust system is mainly composed of the exhaust manifold, exhaust pipe, catalytic converter, exhaust temperatur

3、e 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 years more and more researches show that the flow field of exhaust system can generate airflow noise, thus affecting the system ac

4、oustic 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 years, with all kinds of CFD （Computational Fluid Dynamics computational fluid dynamics） and the popularization of software applicat

5、ions, 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 CFD analysis using approximate engine exhaust air to calculate system flow,. Engine exhaust parameters using simulated through the

6、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 software, the flow field of exhaust system of three-dimensional entity model into Gambit software, finite volume discrete grids and set

7、 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 to the flow of exhaust system in fluid mechanics, heat transfer.Keywords：The exhaust system; computational fluid dynamics; muffler（

8、空2行） 目 录 （4号黑体，居中）1 引言（或绪论）（作为正文第1章，小4号宋体，行距18磅，下同） 12 （正文第2章） Y2.1 （正文第2章第1条） Y2.2 （正文第2章第2条） Y2.X （正文第2章第X条） Y3 （正文第3章） Y（略）X （正文第X章） Y结论 Y参考文献 Y致谢Y附录A （必要时） Y附录B 图1 （必要时） Y图2 表1 表2 （必要时）1 引言1.1研究方程式赛车排气系统的目的及意义 示意图 汽车排气系统是指收集并且排放废气的系统，一般由排气歧管，排气管，催化转换器，排气温度传感器，汽车消声器和排气尾管等组成。汽车排气系统是主要是排放发动机工作所排出的废

9、气，同时使排出的废气污染减小，噪音减小。汽车排气系统主要用于轻型车、微型车和客车，摩托车等机动车辆1。排气系统最基本的功能就是引导发动机做功时所产生的废气排出车外，由于排气系统对发动机换气的影响和排气噪声的存在，排气系统在设计的最大目标就是优化排气过程提高发动机的换气效率以及减少排气噪声。FSAE赛车排气系统与民用车的性能取向有一定的区别，FASE赛车或者说大多数高性能的赛车的排气系统和民用车排气管在性能取向来说是非常不一样的。排气管最基本的作用就是引导发动机废气，隔绝排气高温。民用车为了控制成本，往往使用易于大量生产的工艺和材料制造，而且在设计的时候往往也是为了能够尽量减少成本，没有在排气系

10、统如何优化发动机表现上面多下功夫。而赛车排气管则是相反，由于赛车产量少，追求高性能表现，对成本控制要求低。所以往往用不易于量产的工艺和材料。而在设计上差别更是巨大，由于可以使用比较费时的工艺，在排气系统的设计上受到的束缚很少，可以做更多有利于发动机性能的设计。而更重要的赛车的设计完全是为了竞速，所以在总布置上面的给排气系统留下足够的空间，这样排气系统就可以使用一些在民用车上做不了的设计。例如利用汽车的震动和惯性让排气系统在排气门附近的压力降低，这样排气更加顺畅，提高发动机的充量系数。从而获得了更大的扭矩和功率。具体的就是优化设计排气歧管，让排气初段相互独立，互相不干扰，而且排气顺畅，计算好合适

11、的排气歧管初段长度，保证每个汽缸的排气歧管长度等长，最后又让各缸排气歧管相会一处排出废气。排气系统的另外一个重要的功能就是降低发动机的排气噪声，在这点上赛车虽然降噪的要求比较低，然而FSAE并不是专业的竞速赛事，但考虑到赛事的安全性等，也有一定的噪声要求 【2】 。 1.2、赛事规则的限制【3】 规则中对于赛车的排气系统做了以下要求：赛车排气系统必须安装消音设备，用以使噪声达到允许程度。尾气出口设置必须要合理。使赛车以任何速度行驶时车手都不会受到尾气污染。排气口不得处在后轴中心线后60cm之后的位置，距离地面不得高于60cm。如果排气系统的零部件从车身两侧延到主环以前，那么这些零部件必须有护照

12、遮盖，防止车手或其他人员烫伤。噪声等级上限为110dB排气管和车手以及油箱要有一定的距离，即便有隔热设备额存在，如果离得太近也是会让裁判觉得不安全排气系统要合理的固定在车架上，不能有不牢靠的固定方式排气系统消声的相关发展与研究 消声器是一种既可以有效降低噪声又能使气流顺利通过的设备。经过声学工作者们几十年的长期研究，消声器的计算方法和结构形式都得到了不断完善和发展。最早出现的是无源消声器，包括阻性消声器、抗性消声器及阻抗复合式消声器等。其中抗性消声器又发展为扩张式消声器、共振式消声器、无源干涉式消声器以及微穿孔板消声器等。二十世纪五十年代，国际上提出了有源消声器的概念【4】。这种消声器是通过人

13、为的产生一个与声源幅值相同、相位相反的声波来控制声源的发声特性，使噪声源辐射的可听声的声功率降低，从而达到消声的目的。随着现代数字信号处理技术的发展以及电子控制装置性能的提高，有源消声器也得到了进一步的发展。但在我国应用最多的还是无源消声器。 消声器的理论研究最早可追溯到1922年，美国学者stewart 率先使用用声学滤波器理论指导了抗性消声器设计，利用了集中参数近似算法分析消声器元件。这种理论只有在声波远大于消声器尺寸时才成立。五十年代中期，Davis等人采用一维波动方程，利用截面突变处体积振动速度和声压的连续性，计算了单级和多级膨胀腔和侧支共振腔【6】。五十年代后期，Igarashi等人

14、利用等效电路方法计算了消声器的传递矩阵。根据电路中的四端网络原理，每个消声器单元的声传递特性用四极参数矩阵来表示，消声器的传递特性用每个消声器单元的四极参数矩阵的乘积来确定。这种以四极参数为基础的传递矩阵法在不考虑流速和温度梯度的平面波范围内计算结果比较准确【7】。在Igarashi和 Davis 的基础上，经过大量声学工作作者的努力研究，在用传递矩阵法计算消声器的插入损失和用声传播法计算消声器的传递损失方面，有了比较成熟的计算公式。其中传递矩阵法相对于声传播法有简单方便、实用性强的特点，从而得到了广泛应用。但这些公式成立的前提条件是：没有流速和温度梯度的影响；气体按平面波形式传播；忽略介质粘

15、性和介质能量耗散；消声器壁面无振动，不透射声能。由于这些假设与实际情况有较大的出入，导致理论分析结果和实际测量结果之间有较大的差距。因而这些理论只能用于消声系统设计方案的比较，距对排气消声器的实际应用要求还有不小差距。 Alfredson 等人通过将膨胀腔消声器的消声量测量值和理论值比较，发现考虑流动时理论值与实测值一致，忽略流动时两者差别较大。Sreenath和Munjal 的研究认为忽略温度梯度的变化也将会导致预测与实测的差异8。可见对消声器消声特性的研究必须要考虑到温度和流速梯度的影响。 针对气流对消声器性能的影响，各国学者导出了存在气流时的声传递矩阵，这就是线性声学的声波分析法。这些传

16、递矩阵的建立依赖于以下五个假设：1、线性化假设。2、无损耗假设。3、均匀流动假设。4、均匀参数假设。5、平面波假设。考虑排气系统温度变化时，则可以使用一系列定常温度单元和线性温度梯度单元来模拟温度变化9。 以上都是基于一维平面波理论对消声器内部的声场作近似理论分析。当声波波长远大于管道截面几何尺寸且噪声频率不太高的情况下，平面波假设和实际情况比较一致。但随着消声量要求的增加，消声器的结构形式将比较复杂，截面的几何尺寸一般都不会远小于声波的波长，这时在扩张腔内出现了高次模式波，采用平面波与线性化假设会产生较大的偏差，特别是当声波频率较高，波长相应较短时，这种偏差更明显。所以应该寻求更加接近真实情

17、况的二维或三维分析方法。 各种数值方法的发展及计算机技术的应用与普及，为合理的预测复杂消声器声学性能并且从理论上指导消声器设计提供了可能。有限元法和边界元法是消声器声学性能分析中比较常用的数值方法。 有限元法在1975 年首先由Young 和Crocker 应用在分析消声器元件的传递损失中10，之后经过众学者的完善，被广泛应用在结构和边界条件更复杂的消声器设计中。有限元法设计消声器的优点是可进行二维或三维的计算，较传统的消声器传声特性的分析方法声电类比法和特征线法，有限元法可直接求解消声器内部的波动过程，能够充分考虑壁面振动、介质、流速和温度梯度等参数的影响。许多研究表明11 12，有限元法能

18、比较准确的模拟任意复杂形状消声器的消声特性，并使得高次模式波的分析成为可能。在合理的选取边界条件的情况下，提高了分析精度。 边界元法是二十世纪七十年代末发展起来的一门新数值方法，它与有限元法这类区域型方法相比较，只需离散区域边界而不必对内部区域进行具体划分，相当于仅在区域的外表面上取有限单元。减少了划分模型单元的工作量和求解方程的个数。边界元法特别适合于求解无限域问题，能方便的计算管口的声辐射特性。但当分析消声器内部声场特性时，根据日本秋田大学的T.TSUJI 13等在用有限元和边界元法对声波在一简单扩张腔内传播特性的研究发现，在声波按平面波传播的频率范围内，用有限元法计算出的结果与解析法计算

19、的结果比较的吻合，用边界元法计算出的结果误差较大，且膨胀比越大，误差越明显。可见分析消声器内部声场特性的时候，边界元没有有限元精确，而且考虑到流速和温度梯度的影响也比较困难。 在消声器的声学数值计算方法发展的同时，计算流体力学（简称CFD）在消声器内的流场分析中也得到了越来越多的应用14 15。它可以比较准确的分析消声器内的流速、温度和声压的分布情况。将流场分析与声场分析结合可以同时得到消声器的声学特性和空气动力特性，是个取长补短的好方法。自九十年代以来，随着高速、大容量、小体积工作站的出现，各种在工作站上使用的软件系统也纷纷出现在市场。在声学分析方面,比利时的LMS公司开发的SYSNOISE

20、软件和 美国ANSYS16公司开发的有限单元分析软件等都是目前国内外市场上应用比较好的有限元噪声分析软件。其中SYSNOISE17软件包括有限元、无限元、直接边界元和间接边界元等等多种分析方法，且这些方法之间还可以相互耦合。能够对各种噪声情况进行准确的分析。但是SYSNOISE 没有前处理功能，它必须借助ANSYS 等其他软件完成建模工作。在流体方面，随着计算流体力学（CFD）的迅速发展，也出现了许多CFD 通用软件包。常用的有美国Los Alamos国家实验室的研究者开发出来的KIVA 系列程序、FLUENT,SRARCD,FIRE 以及Computational Fluid Dynamic

21、s Services, AEA Technology 推出的CFX 等等18。它们的差异表现在各种描述燃烧与流动的物理化学过程模型的各种有机组合以及采用不同的数值计算方法上。其中CFX19采用的是有限体积法，采用了多块网格划分技术，另外它还有五种湍流模型可供选择：低雷诺数k 模型、标准k 模型、雷诺应力微分方程模型、代数应力模型和雷诺流动微分方程模型。因此采用CFX 可以进行多相流动、气体燃烧，混合热传输、多孔介质渗流以及可压、不可压、定常、非定常等许多工程实际问题的模拟，而且它具有良好的图形化界面，使用非常直观方便。 消声器在国内的研究也经历了由早期实验方法到一维平面波理论的辅助分析以及现在

22、的三维数值模拟分析，单纯从考虑声学特性到考虑流速温度的影响等过程。1994 年江苏理工大学的蔡超用有限元方法计算了轴对称抗性消声器的传递损失，通过实验验证和声传递矩阵计算结果比对发现有限元具有较高的精度20。1998 年大连理工大学的季振林使用传递矩阵和边界元法计算了整个排气消声系统的四极参数，使用双负载法与特征线法确定发动机的声源阻抗和强度，实现内燃机排气噪声与消声器插入损失预测，并与实测结果吻合良好21。1999 年华中理工大学的黄其柏22等研究了考虑非均匀流场的刚性直管声场传递矩阵，通过将刚性直管沿轴向分成多个微段，并且假定每个微段内温度、气流马赫数和声速保持不变的情况下，利用各微段间声

23、压和体积速度的连续性推导出了声场传递矩阵。2003年吉林大学的丁万龙23等用边界元方法对某摩托车排气消声器进行了数值仿真分析，在实验验证的基础上运用仿真结果提出了切实可行的方案。同年江苏大学的陆森林24用三维有限元法计算出消声器的四端子参数，然后利用所求得的参数预估了消声器的性能，并且对扩张式上限频率和扩张式长度对消声器性能的影响进行了讨论，对消声器设计有一定的参考价值。2003 年山东大学的李国祥25利用k 双方程模型对一典型结构消声器的内部流场及温度场进行了数值模拟研究，并且就消声器内部气流速度、温度变化对消声性能的影响进行了分析。 综上，在消声器声学特性与空气动力特性预测分析方面前人已作

24、了大量的工作，形成了很多好的理论和方法供我们借鉴与参考。国外很多著名的汽车公司和研究部门在利用大量数值计算和有限的试验相结合来设计消声器方面已经做了大量的研究并体系化。但我们国家在这方面起步晚，经验少，要缩短我国消声器设计水平与国外的差距，在提高消声器试验技术和试验设备，完善数值模拟方法方面我们都有待发展。1.3、方程式赛车国内外发展状 1.3.1国外FSAE发展背景 Formula SAE是由各国SAE，即汽车工程师协会举办的面向在读或毕业7个月以内的本科生或者研究生举办的一项学生方程式赛车比赛，要求在一年之内制造出一辆在加速、刹车、操控性等方面有优异的表现并且有足够稳定耐久性，能够成功完成

25、规则中列举的所有项目的业余休闲赛车。自1981年创办以来，FSAE赛事已发展成为每年由7个国家举办的9场赛事所组成的，并有数百支来自全球顶级高校的车队参与的青年工程师盛会。SAE方程式（Formula SAE）系列赛起源于1978年。第一次比赛于1979年在美国的波斯顿举行，13支队伍中有11支完赛。当时的规则是要求参赛者制作一台5马力的木制赛车。SAE方程式（Formula SAE）系列赛将挑战本科生、研究生团队构思、设计和制造小型具有越野性能的方程式赛车的能力。为了给车队最大的设计弹性和自我表达创意和想象力的空间，在整车的设计方面限制将会很少。赛前车队通常有8至12个月的时间设计、建造、测

26、试和准备赛车。在与来自世界各个地方的大学代表队的比较中，赛事给了车队证明和展示其创造力和工程技术能力的机会。为了达到比赛的目的，学生可以把自己假想为设计人员。某一制造公司聘请他们为其设计、制造和论证一辆用来评估该公司某一量产项目的原型车。预期的销售市场是周末业余的汽车比赛。因此，该赛车必须在加速，制动和操控性能方面表现出色。该赛车必须易于维修、成本低廉、可靠性好。此外，考虑到市场销售的因素，该车既需要美观、舒适，零部件也需要有通用性。制造企业计划每天生产四辆该型车, 并且要求原型车实际耗资应低于2.5万美元（该规则09年已经取消）。各设计小组受到的挑战是设计和组装一辆满足各种要求的车。各个设计

27、环节将作为竞赛比较和评判的内容。1.3.2中国FSAE背景 中国的FSAE项目起步比较晚，目前国内有湖南大学、上海交通大学、同济大学、厦门理工已拥有车队和车辆，吉林大学、北京理工大学、清华大学和天津大学等拟筹建。同济大学与厦门理工于2008年完成赛车的试制，同济大学已报名参加2009年的比赛。 Formula SAE 赛事是一项极具考验学生是否有持之以恒精神的赛事。它考验每名队员的耐力，在每一个阶段都会出现各种各样的问题，而解决这问题需要细心、耐心、不厌其烦的一遍一遍的摸索。在有限的条件下，任何一处的结构设计都很难一次性完成，强度不够，运动干涉等都是常会遇到的问题，这些问题的解决也需要花费很大

28、的心思和精力。由于Formula SAE赛事是一个边学边做，边做边学习的过程。总是在失败中慢慢的成功。 中国大学生方程式汽车大赛是中国汽车工程学会及其合作会员单位，在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上，结合中国国情，精心打造的一项全新赛事，这项比赛包括工艺、环保、动力系统、现场操作系统、动态测试和静态测试等多个项目，评比的是学生的设计理念、工艺水平、成本控制能力和营销方案，以及把赛车制造成产品的过程。这不是一场竞速比赛或节油比赛，而是汽车人才综合素质的比拼，这项赛事通过全方位考核提高学生们的设计、制造、成本控制、商业营销、沟通与协调五方面的综合能力，从而全面地提升综合素质。未来支撑中国

29、汽车产业的脊梁必将在这些学生中产生，这也是赛事最大的意义所在，举办中国FSAE 大赛的目的，就是为中国汽车产业的发展做长期的人才积蓄。通过FSAE 大赛学到很多书本上学不到的东西，并可以将知识转化为专业技能，同时还能锻炼.学生的团队合作能力和责任感。大赛在提高和检验汽车行业院校学生的综合素质，为汽车工业健康、快速和可持续发展积蓄人才,增进产、学、研三方的交流与互动合作等方面具有十分广泛的意义。 1.4、课题的主要任务针对我校在大学生中举行方程式赛车的情况，本次毕业设计主要进行方程式赛车排气系统设计任务，根据方程式赛车的设计要求进行，按照汽车排气系统结构开展赛车排气管与消声器的设计工作。赛车设计参数：发动机型式：CBR600； 轴距1525mm； 轮辋直径14英寸； 胎面宽度:195 制动器型式：盘式； 结构：摩托车制动器；毕业设计内容：确定赛车排气管、消声器结构型式，完成排气系统在赛车上的布置，完成赛车消声器、排气管结构图纸，完成消声器排气管与车架连接件件图纸，完成消声器的计算分析。 这次毕业设计主要进行方程式赛车排气系统的分析与设计，倾向采用FLUENT流体动力学分析软件对消声器的内部流场特性进行了分析,得到了消声器内