1、 毕业设计 (论文 )打印格式样板 (供理工类专业用 ) （ A4纸型） xxxxxx 毕业设计说明书 作 者： 学 号： xxxxxx 学 院： 系 (专业 )： 车辆工程 题 目： CBR600 发动机 排气 系统设计分析 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 2013 年 5 月 21 日 重要提示： 各类电子文档标准格式中的说明（用蓝色或 红色 字体表示），在参阅后请自行删除（包括本提示）， 黑色 字体的内容全部保留！ 大学 2013 届本科毕业设计说明书 毕业设计（论文）中文摘要 题 目 CBR600 发动机排气系统设计分析 摘要：
2、排气系统主要由排气歧管，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 ,不仅影响汽车的燃油经济性和行驶动力性，更是是汽车减排降噪的重要组成部分。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
3、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 xxxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 1 毕业设计（论文）外文摘要 Title The analysis and design of CBR600 engine exha
4、ust system 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 r
5、ecent 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 rec
6、ent years, 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 sy
7、stem CFD 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
8、 software, 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, accor
9、ding to the flow of exhaust system in fluid mechanics, heat transfer. xxxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 2 Keywords： The exhaust system; computational fluid dynamics; muffler xxxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 3 目录 1 引言 . - 1 - 1.3.1 国外 FSAE 发展背景 . - 6 - 1.3.2 中国 FSAE 背景 . - 7 - 2 发动机排气原理 . - 8 - 3.FLUENT 计算的流体力学基础 . -
10、 9 - 3.1.1 连续介质 . - 9 - 3.1.2 流体的粘性 . - 9 - 3.1.3 流体的导热性 . - 10 - 3.1.4 可压流体与不可压流体 . - 10 - 3.1.5 层流流动与湍流流动 . - 10 - 3.2.1 质量守恒方程 . - 10 - 3.2.2 动量守恒方程 . - 11 - 3.2.3 能量守恒方程 . - 12 - 3.2.5 欧拉方程 . - 13 - 4 对排气系统计算分析 . - 13 - 4.3.1 边界条件的施加及速度分布分析 . - 16 - 4.3.2 内部压力分布分析 . - 19 - 结 论 . - 21 - 参 考 文 献 .
11、 - 22 - 致 谢 . - 24 - xxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 - 1 - 1 引言 排气系统主要由排气歧管，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 ,不仅影响汽车的燃油经济性和行驶动力性，更是是汽车减排降噪的重要组成部分。 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
12、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
13、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。 xxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 - 2 - 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，计算好合适的排气歧管初段
14、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
15、须有护照遮盖，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 xxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 - 3 - 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
16、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 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
17、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
18、、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
19、须要考虑到温度和流速梯度的影响。 xxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 - 4 - 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
20、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
21、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 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
22、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的结果比较的吻合，用边界元法计算出的结果误差较xxxx 大学 2013 届本科毕业设计说明书 - 5 - 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
23、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 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
24、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 Dynamics 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
25、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
