楊 帥， 魏亞男， 薛良君， 常國(guó)峰

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心 上海，201804) (2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 上海，201804)(3.中車戚墅堰機(jī)車有限公司 戚墅堰，213011)

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節(jié)氣門急速開(kāi)啟過(guò)程流動(dòng)噪聲數(shù)值分析與研究

楊 帥1,2， 魏亞男1,2， 薛良君3， 常國(guó)峰1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心 上海，201804) (2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院 上海，201804)(3.中車戚墅堰機(jī)車有限公司 戚墅堰，213011)

研究了節(jié)氣門運(yùn)動(dòng)對(duì)流動(dòng)噪聲的影響。采用計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算聲學(xué)耦合方法，并結(jié)合運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)氣門由關(guān)閉向全開(kāi)位置急速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程時(shí)空氣瞬態(tài)流動(dòng)引起噪聲形成的三維數(shù)值模擬，分析了節(jié)氣門處于不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻，空氣流場(chǎng)與流動(dòng)噪聲的變化規(guī)律。在節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)初期，節(jié)氣門后側(cè)流動(dòng)區(qū)域有渦流形成，節(jié)氣門前后兩側(cè)的壓力發(fā)生陡降，在節(jié)氣門上邊緣和下邊緣附近產(chǎn)生兩個(gè)流動(dòng)噪聲區(qū)，隨后在節(jié)氣門下游逐漸合并。流動(dòng)噪聲聲功率級(jí)先增加然后逐漸減小，并接近穩(wěn)定，節(jié)氣門開(kāi)度在40°附近時(shí)，聲功率級(jí)達(dá)到最大。隨著節(jié)氣門開(kāi)度的繼續(xù)增加，節(jié)氣門后側(cè)的渦流逐漸減弱，節(jié)氣門前后兩側(cè)的壓力降逐漸減小。噪聲場(chǎng)時(shí)域-頻域計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門噪聲屬于中低頻段寬頻噪聲，其中大約100 Hz以下的低頻噪聲占主要貢獻(xiàn)量，聲壓級(jí)較高，并且聲壓沒(méi)有隨著測(cè)點(diǎn)與節(jié)氣門的距離增加而明顯衰減?？刂乒?jié)氣門流動(dòng)噪聲的重點(diǎn)在于減少低頻噪聲。

節(jié)氣門; 流動(dòng)噪聲; 瞬態(tài)流動(dòng); 數(shù)值模擬

引 言

安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中的節(jié)氣門是控制汽車負(fù)荷的重要裝置，其工作原理是通過(guò)控制節(jié)氣門圓形閥片的轉(zhuǎn)角開(kāi)度來(lái)控制節(jié)氣門進(jìn)氣管道的流通面積，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量。這種圓形閥片式節(jié)氣門控制簡(jiǎn)單、操作方便。目前，電子控制式節(jié)氣門已應(yīng)用于汽車中，電控節(jié)氣門動(dòng)作響應(yīng)更迅速，使得節(jié)氣門在不同開(kāi)度下的流量具有更大的時(shí)變性特點(diǎn)[1-2]。節(jié)氣門受閥片自身的限制，容易在閥片后方形成負(fù)壓區(qū)，當(dāng)節(jié)氣門閥片繞中間銷軸旋轉(zhuǎn)在一定角度時(shí)，其閥片后部的上邊緣與下邊緣處都會(huì)產(chǎn)生高流速的渦流。當(dāng)汽車處于加速狀態(tài)，即閥片急速向全開(kāi)位置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，節(jié)氣門附近的空氣瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程極為復(fù)雜[3]。節(jié)氣門嘯叫問(wèn)題是汽車瞬態(tài)聲品質(zhì)性能中比較突出和典型的現(xiàn)象，如果進(jìn)氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，節(jié)氣門急速開(kāi)啟時(shí)和急踩油門時(shí)的高速氣流會(huì)產(chǎn)生尖銳的嘯叫[4-6]。因此，了解節(jié)氣門對(duì)噪聲形成過(guò)程的影響具有重要實(shí)際意義。

由于節(jié)氣門工作一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，觀測(cè)節(jié)氣門急速運(yùn)動(dòng)對(duì)空氣瞬態(tài)三維流場(chǎng)與噪聲場(chǎng)影響的試驗(yàn)難度很大[7-8]，運(yùn)用數(shù)值模擬方法再現(xiàn)流場(chǎng)和噪聲場(chǎng)歷程也存在較多計(jì)算難點(diǎn)。例如，就目前的聲學(xué)計(jì)算軟件來(lái)說(shuō)，都是基于閥片體固定(認(rèn)為閥片為固定角度的穩(wěn)態(tài))，并且只考慮進(jìn)口壓力為動(dòng)態(tài)變化量來(lái)計(jì)算的，因此無(wú)法直接解決運(yùn)動(dòng)部件由于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致對(duì)氣體流動(dòng)的影響以及聲場(chǎng)影響等問(wèn)題。以往對(duì)節(jié)氣門流動(dòng)和噪聲的數(shù)值分析大多是以節(jié)氣門開(kāi)度不隨時(shí)間發(fā)生連續(xù)變化的條件下進(jìn)行的，而瞬態(tài)計(jì)算能夠完整說(shuō)明節(jié)氣門閥片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)空氣流動(dòng)以及噪聲的影響，具有較強(qiáng)實(shí)際意義。考慮到汽車在起步向急加速過(guò)程過(guò)渡時(shí)，節(jié)氣門處于急速全開(kāi)狀態(tài)，為此，筆者采用了瞬態(tài)計(jì)算方法對(duì)節(jié)氣門的流動(dòng)噪聲場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)分析，根據(jù)實(shí)際尺寸建立了節(jié)氣門三維模型，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，將計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,簡(jiǎn)稱CFD)瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)果與聲場(chǎng)耦合，得出聲場(chǎng)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)節(jié)氣門由關(guān)閉向全開(kāi)位置急速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)空氣流動(dòng)噪聲形成過(guò)程的三維數(shù)值模擬。

1 計(jì)算模型設(shè)置

節(jié)氣門模型示意圖如圖1所示。依據(jù)節(jié)氣門實(shí)際尺寸，建立的具有節(jié)氣門閥片的網(wǎng)格如圖2所示。為了保證運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格質(zhì)量，經(jīng)過(guò)特意劃分，單元體網(wǎng)格總數(shù)為253 443，足以保證在聲學(xué)處理過(guò)程中所能計(jì)算的頻率范圍。計(jì)算過(guò)程中閥片運(yùn)動(dòng)規(guī)律根據(jù)節(jié)氣門實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，筆者編寫(xiě)VC++程序并在計(jì)算軟件中編譯，實(shí)現(xiàn)了節(jié)氣門閥片在計(jì)算域中的運(yùn)動(dòng)，確保了運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格的形成。在節(jié)氣門閥片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，為了確保閥片附件運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格的實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)閥片的運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行了劃分，經(jīng)過(guò)交界面劃分后，網(wǎng)格分為靜態(tài)區(qū)域和運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)。在運(yùn)動(dòng)緩沖區(qū)中，網(wǎng)格以四面體網(wǎng)格構(gòu)成；靜態(tài)網(wǎng)格區(qū)域以六面體網(wǎng)格構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格扭曲度始終控制在0.75以下，定義節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)中心為全局坐標(biāo)O點(diǎn)，離散格式為二級(jí)迎風(fēng)差分格式。為了解決節(jié)氣門閥片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)湍流剪切應(yīng)力和分離流的影響，節(jié)氣門流場(chǎng)計(jì)算選用瞬態(tài)SSTk-Ω湍流模型，噪聲場(chǎng)計(jì)算選用FW-H模型，采用壓力隱式分裂算子(pressure implicit split operator, 簡(jiǎn)稱PISO)算法。流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果作為噪聲場(chǎng)初始條件實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算，計(jì)算步長(zhǎng)為0.000 25 s，噪聲的頻域計(jì)算范圍為2 kHz。

圖1 節(jié)氣門模型示意圖Fig.1 Throttle model map

圖2 節(jié)氣門閥片位置網(wǎng)格Fig.2 Grid at throttle position

計(jì)算過(guò)程中認(rèn)為氣體在節(jié)氣門管道內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài)是三維黏性湍流流動(dòng)，設(shè)定入口邊界條件為質(zhì)量流量邊界條件，其中空氣入口方向?yàn)閦軸的正方向，入口壓力值為當(dāng)?shù)貧鈮褐担O(shè)定出口為壓力邊界條件。為了防止計(jì)算時(shí)回流影響，計(jì)算域入口和出口位置被適當(dāng)延長(zhǎng)?？諝馊肟跍囟葹?00 K，管壁面邊界采用近壁面函數(shù)法求解。根據(jù)實(shí)際情況，筆者分析的節(jié)氣門閥片從關(guān)閉到全開(kāi)的時(shí)間歷程分別為1 s。節(jié)氣門閥片繞x軸順時(shí)針勻速旋轉(zhuǎn)，θ表示節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)角度。

為了校核本次計(jì)算準(zhǔn)確程度，在進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算之前，先進(jìn)行了節(jié)氣門流動(dòng)過(guò)程的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行了比較。圖3為節(jié)氣門在不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻出口位置質(zhì)量流量穩(wěn)態(tài)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比。試驗(yàn)在節(jié)氣門綜合性能測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中讓節(jié)氣門閥片由關(guān)閉向全開(kāi)狀態(tài)過(guò)渡，進(jìn)口壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮海謩e測(cè)試閥片開(kāi)度為5°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°和80°時(shí)的節(jié)氣門進(jìn)口、出口位置壓力和流量情況。圖4為計(jì)算域出口質(zhì)量流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較接近。以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，可確定節(jié)氣門瞬態(tài)流動(dòng)過(guò)程三維數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[9-10]。

圖3 出口質(zhì)量流量計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.3 Contrast of outlet mass flow value between test and simulation

2 計(jì)算結(jié)果分析

空氣瞬態(tài)流動(dòng)導(dǎo)致了節(jié)氣門流動(dòng)噪聲的形成，并且空氣瞬態(tài)流動(dòng)特性變化決定了節(jié)氣門急速開(kāi)啟時(shí)的流動(dòng)噪聲的變化。為此，筆者計(jì)算結(jié)果分析過(guò)程先從節(jié)氣門計(jì)算域的空氣流動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始，通過(guò)對(duì)空氣流場(chǎng)、壓力場(chǎng)變化的闡述，進(jìn)而明確流動(dòng)噪聲的變化規(guī)律。

2.1 節(jié)氣門管內(nèi)流場(chǎng)瞬態(tài)分析

為了明確分析節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管內(nèi)流場(chǎng)的瞬態(tài)變化，分別取節(jié)氣門流場(chǎng)的yOz截面和與xy平面平行的截面進(jìn)行說(shuō)明，并且為了明確節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)位置，計(jì)算結(jié)果以節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)過(guò)程的當(dāng)前角度和時(shí)刻給出。其中，沿xy截面的流場(chǎng)劃分方式是以節(jié)氣門中心坐標(biāo)O點(diǎn)為原點(diǎn)，30 mm等間距距離，分別取z=-30，0，30，60，90 mm共5個(gè)與xy平面平行的截面進(jìn)行分析說(shuō)明。圖4為節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)yOz截面速度場(chǎng)分布。圖5為節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)xy截面速度場(chǎng)分布。節(jié)氣門在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，節(jié)氣門上游區(qū)域空氣流動(dòng)比較穩(wěn)定，但在節(jié)氣門閥片剛開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)初始期，在閥片后側(cè)就產(chǎn)生了高流速的大尺度渦流，如圖4(a)和圖5(a)所示。其原因是節(jié)氣門閥片旋轉(zhuǎn)而觸發(fā)了剪切流和分離流的形成。聲壓產(chǎn)生的來(lái)源也與氣流流經(jīng)節(jié)氣門閥片時(shí)在節(jié)氣門下游形成的大渦流區(qū)緊密相關(guān)。節(jié)氣門在初始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻，流場(chǎng)隨著閥片旋轉(zhuǎn)時(shí)間而急速發(fā)展，并且節(jié)氣門后側(cè)的流動(dòng)變化過(guò)程比較復(fù)雜。

圖4 節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)yOz截面速度場(chǎng)等值線分布Fig.4 Distribution of velocity isoline at yOz plane when throttle at different angle

根據(jù)圖4，5可以發(fā)現(xiàn)，空氣在進(jìn)入節(jié)氣門后的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如下：在節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)初期，節(jié)氣門后側(cè)迅速出現(xiàn)渦流；在節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，節(jié)氣門下止點(diǎn)位置附近的空氣流動(dòng)速度明顯增強(qiáng)；隨著節(jié)氣門開(kāi)度逐漸增加，高速渦流迅速發(fā)展；隨著節(jié)氣門繼續(xù)打開(kāi)，渦流向前移動(dòng)，并減弱。根據(jù)圖5還可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，初期形成的渦流區(qū)開(kāi)始逐漸分裂成兩個(gè)沿z軸正方向運(yùn)動(dòng)，并且與y軸對(duì)稱的渦流區(qū)。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在θ接近80°附近，這兩個(gè)渦流已逐漸減弱，出現(xiàn)了較為明顯的渦脫落現(xiàn)象，說(shuō)明節(jié)氣門流動(dòng)噪聲受高速渦流噪聲的影響較大。

圖5 節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)xy截面速度場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of velocity at xy plane when throttle at different degree angle

2.2 節(jié)氣門壓力場(chǎng)

圖6為節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)靜壓力變化，其中l(wèi)為節(jié)氣門管道計(jì)算長(zhǎng)度，節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)中心為O點(diǎn)。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，壓力陡降區(qū)域位于橫坐標(biāo)O點(diǎn)位置附近，即節(jié)氣門所在位置，并且節(jié)氣門轉(zhuǎn)角θ越小，在節(jié)氣門位置附近的壓力陡降也越大。另外在節(jié)氣門位置附近出現(xiàn)的環(huán)狀壓力陡降，原因是節(jié)氣門前后面兩側(cè)的壓力變化不一致導(dǎo)致的。計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)節(jié)氣門接近全開(kāi)時(shí)，此現(xiàn)象消失。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，隨著節(jié)氣門轉(zhuǎn)角θ逐漸增加，在節(jié)氣門附近產(chǎn)生的壓力陡降逐漸縮小。當(dāng)節(jié)氣門達(dá)到全開(kāi)位置時(shí)，壓力變化達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)刻的壓力變化接近文丘里管效應(yīng)。

圖6 節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)靜壓力變化Fig.6 Static pressure variation in tube when throttle at different angle

2.3 節(jié)氣門流動(dòng)噪聲聲功率變化

節(jié)氣門的旋轉(zhuǎn)對(duì)管內(nèi)空氣流動(dòng)噪聲的變化存在直接影響。筆者以聲功率級(jí)變化說(shuō)明節(jié)氣門管內(nèi)流動(dòng)噪聲變化情況，聲功率指聲源在單位時(shí)間內(nèi)向外輻射的聲能。本研究對(duì)噪聲的計(jì)算過(guò)程中，聲功率即為聲源總聲功率。圖7為節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)yOz截面聲功率級(jí)分布。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)噪聲的變化與閥片旋轉(zhuǎn)位置有直接聯(lián)系。流動(dòng)噪聲的主要產(chǎn)生區(qū)域位于節(jié)氣門后側(cè)，隨著節(jié)氣門轉(zhuǎn)角增加，聲功率級(jí)峰值先增加，然后減小。

圖7 節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)yOz平面聲功率級(jí)分布Fig.7 Distribution of acoustic power level yOz plane when throttle at different angle

在節(jié)氣門閥片旋轉(zhuǎn)初期，流動(dòng)噪聲區(qū)產(chǎn)生在節(jié)氣門上邊緣和下邊緣附近的兩個(gè)位置；隨著節(jié)氣門轉(zhuǎn)角θ的逐漸增大，這兩個(gè)流動(dòng)噪聲區(qū)逐漸合并為一個(gè)流動(dòng)噪聲產(chǎn)生區(qū)。在θ接近40°附近時(shí)，聲功率峰值達(dá)到最大，接近150 dB；隨后逐漸較小，在節(jié)氣門達(dá)到全開(kāi)狀態(tài)，流動(dòng)噪聲接近平穩(wěn)，聲功率值在75 dB以下。此結(jié)果證實(shí)了汽車從低速迅速向高速過(guò)渡時(shí)，在加速初始期由于節(jié)氣門迅速全開(kāi)而導(dǎo)致節(jié)氣門管內(nèi)產(chǎn)生較大流動(dòng)噪聲的現(xiàn)象。

2.4 節(jié)氣門噪聲場(chǎng)時(shí)域-頻域分析

為了明確節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不同轉(zhuǎn)角和頻率下的聲壓變化，對(duì)節(jié)氣門計(jì)算區(qū)域內(nèi)的聲場(chǎng)進(jìn)行了時(shí)頻分析。將節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的聲壓變化看成是一系列平穩(wěn)信號(hào)的疊加，記為x(t)，使用時(shí)間窗函數(shù)h(t-u)與信號(hào)x(t)相乘，實(shí)現(xiàn)在u時(shí)刻附近對(duì)信號(hào)加窗截?cái)?。然后進(jìn)行傅里葉變換，如式(1)所示。上述過(guò)程在離散域中可表示為式(2)。筆者選取窗函數(shù)為長(zhǎng)度128的漢寧窗，窗口重疊率為50%，變換結(jié)果如圖8所示。

(1)

G(uk,fk)=FFT(x[k]h[uk-k])

(2)

其中：T為總的仿真時(shí)間；f為信號(hào)頻率；k為時(shí)間索引；uk，fk分別為離散化的時(shí)間和頻率；x[k]，h[k]分別為離散化的聲壓變化信號(hào)和窗函數(shù)。

圖8 節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)A和B的時(shí)域-頻域聲壓級(jí)變化圖(單位：dB)Fig.8 Distribution of acoustic power pressure level in time-frequency space domain at different computation measurement point (unit: dB)

在距離節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)上游40mm(坐標(biāo)：x=0，y=0，z=-40mm)處布置聲壓計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)A，在距離節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)下游90mm(坐標(biāo)：x=0，y=0，z=90mm)處布置聲壓計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)B，圖8為節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻觀測(cè)點(diǎn)A和B的時(shí)域-頻域聲壓變化圖。根據(jù)聲壓時(shí)域-頻域計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的流動(dòng)噪聲屬于一種寬頻噪聲。由于觀測(cè)點(diǎn)A點(diǎn)距離節(jié)氣門中心O點(diǎn)較近，聲壓產(chǎn)生極大值的范圍是在0.15～0.8s之間，觀測(cè)點(diǎn)A的最大聲壓級(jí)接近150dB，即節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)角度在15°～70°之間。B點(diǎn)距離節(jié)氣門中心O點(diǎn)稍遠(yuǎn)，聲壓產(chǎn)生極大值的范圍是在0.2～0.6s之間，觀測(cè)點(diǎn)B的最大聲壓級(jí)接近145dB，即節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)角度在20°～55°之間。結(jié)合圖4，5節(jié)氣門速度場(chǎng)分布以及圖7節(jié)氣門不同轉(zhuǎn)角時(shí)刻管內(nèi)聲功率分布，發(fā)現(xiàn)在以上節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間范圍內(nèi)，流場(chǎng)流速迅速增加然后逐漸減小，并產(chǎn)生了高流速的大尺度渦流，聲功率級(jí)恰好也在此范圍迅速達(dá)到最大值，然后逐漸減小。

節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的大約100 Hz以下的低頻噪聲更加明顯，并且此部分的噪聲能量也較大，沒(méi)有隨著測(cè)點(diǎn)與節(jié)氣門閥片的距離增加而有明顯衰減。結(jié)合先前對(duì)節(jié)氣門流動(dòng)形式的分析，其原因是由于節(jié)氣門閥片的作用, 一部分空氣受阻, 流體質(zhì)點(diǎn)不能突然改變運(yùn)動(dòng)方向, 即流向不能平穩(wěn)、圓滑地過(guò)渡, 在閥片附近流體出現(xiàn)逆流運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì), 結(jié)果使這部分流體不停地、劇烈地在閥片附近作漩渦運(yùn)動(dòng), 漩渦區(qū)的流體質(zhì)點(diǎn)不斷被主流帶走, 而主流區(qū)不斷將流體給予補(bǔ)充, 這一過(guò)程勢(shì)必引起流噪聲。觀測(cè)點(diǎn)的聲壓強(qiáng)度與氣體流速有關(guān)，流動(dòng)噪聲聲壓頻率與所在時(shí)刻渦脫落的頻率有關(guān)。圖9為節(jié)氣門在急速開(kāi)啟過(guò)程中計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)A和B的頻譜圖，從圖中也可以發(fā)現(xiàn)噪聲在低頻段(尤其是大約100 Hz以下)，計(jì)算觀測(cè)點(diǎn)A和B的聲壓級(jí)(sound pressure level,簡(jiǎn)稱SPL)相對(duì)較高。

圖9 節(jié)氣門急速開(kāi)啟過(guò)程中觀測(cè)點(diǎn)A和B的頻譜圖Fig.9 Distribution of acoustic spectrum map at different computation measurement point during throttle quick-opening process

3 低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理

在節(jié)氣門急速打開(kāi)過(guò)程中，當(dāng)空氣急速通過(guò)節(jié)氣門閥片后，Re數(shù)(雷諾數(shù))迅速增大，并且在閥片的后側(cè)形成了接近節(jié)氣門管道水力直徑的大尺度高速渦流，流動(dòng)形式如圖5所示。從圖4(a)也可以發(fā)現(xiàn)，在節(jié)氣門剛剛打開(kāi)的初期，高速渦流便急速形成，并且在節(jié)氣門開(kāi)度接近40～45°時(shí)，渦速度達(dá)到最大。當(dāng)節(jié)氣門繼續(xù)打開(kāi)時(shí)，高速渦流逐漸減弱，在節(jié)氣門開(kāi)度接近80°時(shí)，高速渦已減弱，即在節(jié)氣門急速全開(kāi)過(guò)程中有高流速渦脫落現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生原因與空氣急速流過(guò)節(jié)氣門閥片位置時(shí)的有限流通截面有關(guān)。考慮到聲源的產(chǎn)生區(qū)是空氣流經(jīng)節(jié)氣門閥片時(shí)的區(qū)域，即與閥片瞬時(shí)位置有直接聯(lián)系，引入數(shù)斯特勞哈爾數(shù)Str，即考慮流體具有特征頻率的圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)使用Str

Str=f1L/V0

(3)

其中：f1為漩渦分離頻率；L為水力直徑；V0為流體速度。

計(jì)算發(fā)現(xiàn)在節(jié)氣門急速全開(kāi)過(guò)程中，閥片后側(cè)的空氣Re數(shù)在閥片開(kāi)度小于45°時(shí)，Re數(shù)迅速增大；隨著通過(guò)截面的增加，Re數(shù)在閥片接近全開(kāi)時(shí)又發(fā)生了減弱；當(dāng)300≤Re<3×105時(shí)，稱為亞臨界區(qū)，此時(shí)附面層仍為層流分離，而尾跡已轉(zhuǎn)化為紊流渦街，在此Re數(shù)范圍，Str≈0.2；當(dāng)3 ×105≤Re<3.5 ×106時(shí)，空氣經(jīng)歷了臨界區(qū)和超臨界區(qū)，空氣流場(chǎng)附面層的分離已從層流分離轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鞣蛛x，而旋渦由規(guī)則脫落轉(zhuǎn)變成不規(guī)則脫落，流動(dòng)也呈現(xiàn)出了隨機(jī)性[11]。本次計(jì)算發(fā)現(xiàn)節(jié)氣門閥片附近的Re數(shù)主要變化范圍屬于亞臨界區(qū)域。根據(jù)式(3)，可以得到渦脫落而產(chǎn)生渦噪聲頻率范圍，變化范圍恰好在低頻段(大約100 Hz以下)。當(dāng)節(jié)氣門開(kāi)啟時(shí)間大于0.8 s并且接近全開(kāi)時(shí)，靠近進(jìn)氣門附近的渦流減弱，湍動(dòng)能降低，低頻噪聲能級(jí)也開(kāi)始減弱。以上分析與圖8，9得出的結(jié)論相符，即與節(jié)氣門在急速全開(kāi)時(shí)能級(jí)較高的低頻噪聲區(qū)占主要貢獻(xiàn)的結(jié)論相符合。綜合汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的駕駛工況，節(jié)氣門開(kāi)啟越快，流經(jīng)節(jié)氣門的空氣流速也就越快，因此控制節(jié)氣門流動(dòng)噪聲的重點(diǎn)在低頻噪聲部分。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)氣體流經(jīng)節(jié)氣門的流場(chǎng)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的高速渦流是節(jié)氣門流噪聲產(chǎn)生的根本原因，流動(dòng)噪聲的主要部分屬于由高速渦脫落而產(chǎn)生的渦噪聲。在節(jié)氣門開(kāi)啟過(guò)程中，先后經(jīng)歷了高速渦形成、高速渦發(fā)展及高速渦削弱消失的過(guò)程。氣體流經(jīng)節(jié)氣門閥片，產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生聲輻射。在節(jié)氣門轉(zhuǎn)動(dòng)初始期，節(jié)氣門后側(cè)產(chǎn)生了渦流區(qū)，壓力在節(jié)氣門前后兩側(cè)發(fā)生了陡降，在節(jié)氣門上邊緣和下邊緣附近產(chǎn)生流動(dòng)噪聲區(qū)。受節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)方向影響，節(jié)氣門下半?yún)^(qū)的空氣流動(dòng)質(zhì)量始終大于上半?yún)^(qū)的空氣流量。隨著節(jié)氣門開(kāi)度增加，節(jié)氣門后側(cè)的渦流區(qū)逐漸減弱，節(jié)氣門前后兩側(cè)的壓力陡降也逐漸減小。

2) 流動(dòng)噪聲的變化與閥片旋轉(zhuǎn)位置有直接聯(lián)系。流動(dòng)噪聲聲功率先增加，在節(jié)氣門轉(zhuǎn)角θ達(dá)到40°后，流動(dòng)噪聲聲功率開(kāi)始逐漸減小。隨著節(jié)氣門轉(zhuǎn)角θ的逐漸增加，聲功率逐漸減小，并接近穩(wěn)定。

3) 通過(guò)對(duì)節(jié)氣門噪聲場(chǎng)時(shí)域-頻域分析發(fā)現(xiàn)，節(jié)氣門急速開(kāi)啟過(guò)程噪聲屬于中低頻段寬頻噪聲，并且大約100 Hz以下的低頻噪聲更加明顯，沒(méi)有隨著測(cè)點(diǎn)與節(jié)氣門閥片的距離增加而明顯衰減，屬于渦脫落產(chǎn)生的低頻噪聲；但是大約大于100 Hz以上的中低頻部分噪聲隨著測(cè)點(diǎn)與節(jié)氣門閥片的距離增加而有明顯衰減。鑒于汽車在運(yùn)行過(guò)程中電控節(jié)氣門的開(kāi)度響應(yīng)時(shí)間比較短暫，為此提出控制節(jié)氣門流動(dòng)噪聲的重點(diǎn)在于減少低頻噪聲部分。

4) 節(jié)氣門急速全開(kāi)過(guò)程中，聲壓產(chǎn)生的來(lái)源主要?dú)w結(jié)為氣流流經(jīng)節(jié)氣門閥片時(shí)，在節(jié)氣門下游形成的高速大渦流區(qū)而導(dǎo)致的低頻渦噪聲。設(shè)計(jì)汽車低噪聲節(jié)氣門進(jìn)氣系統(tǒng)的目標(biāo)是控制高速大渦流區(qū)的形成。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.03.027

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目；上海市技術(shù)性貿(mào)易措施應(yīng)對(duì)專項(xiàng)資助項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)課程建設(shè)實(shí)驗(yàn)教改資助項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)教學(xué)改革資助項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)精品實(shí)驗(yàn)資助項(xiàng)目；同濟(jì)大學(xué)青年教師英才計(jì)劃資助項(xiàng)目

2017-03-07；

2017-04-25

TB533； TH123+.1； U464.134

楊帥，男，1980年1月生，博士后、副教授、碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué)與流動(dòng)噪聲分析。曾發(fā)表《引射式EGR系統(tǒng)文丘里管內(nèi)流動(dòng)數(shù)值模擬分析》(《內(nèi)燃機(jī)工程》2011年第32卷第3期)等論文。 E-mail:mermaid04@126.com