反流插入管消声器压力损失的分析

　　前言

　　汽车消声器过大的压力损失会导致发动机功率下降，增加整车燃油消耗。因此，消声器的低压力损失特性成为汽车设计人员的追求目标。目前对于消声器压力损失的研究主要是对消声器的内部流动特性进行分析和改进，以减小压力损失［1 －3］。

　　然而消声器是由各种子结构构成，若对这些子结构压力损失特性，特别是尺寸参数对其压力损失的影响规律缺乏了解，消声器设计就存在盲目性，严重降低设计开发效率。

　　为此已有一些学者开始研究这些子结构的影响。一方面横向比较不同子结构间压力损失的差别或分析压力损失随进口流速的变化趋势［4 －7］; 另一方面，一些研究开始讨论尺寸参数对同轴扩张腔［8 －11］、非同轴扩张腔［8］、同轴插入管［8，12］、非同轴插入管、直流穿孔管［8，13 －14］、横流穿孔管［8，15］、横流三管［8，16］、反流三管［8］、偏置插入管双腔［8］和同轴扩张腔双腔［8］的压力损失的影响规律和产生这些影响的内在原因［10 －11］。

　　文献［6］中提到反流插入管的进口管与后壁面的距离对其压力损失具有决定性作用，过近的距离将导致较大的压力损失，然而并未详细讨论这一参数对反流插入管消声器的压力损失的影响规律和产生机理。

　　为帮助设计人员在设计阶段合理选择进口管与后壁面的距离，本文中在经过试验验证的数值模型基础上，采用计算流体力学( CFD) 方法研究进口管与后壁面距离对反流插入管消声器压力损失的影响规律，并揭示其成因。

　　1 研究对象和方法简述

　　本文中研究的是反流插入管式消声器，该结构形式广泛应用于汽车排气消声器中。反流插入管消声器模型结构如图 1 所示，其中 D0为腔体直径，D1、D2分别为进口管、出口管内径( 简称为管径) ，S 为进口管与出口管中心距，L0为腔体内部长度，L1、L2分别为进口管、出口管管端离后壁面距离。

　　利用 CAD 软件 CATIA 建立反流插入管消声器的三维流体模型，并采用前处理软件 ANSA 进行了六面体网格划分，进、出口和腔体外表面分别设置不同的表面网格编号，从而得到反流插入管式消声器的 CFD 分析模型。为使问题简化，作如下假设: ①消声器固体区和流体区的物理性能参数均为常数;②流动为定常流动中的湍流; ③不考虑重力的影响;④消声器进口速度为匀速，没有脉冲影响。

　　CFD 计算采用基于有限体积法的 ANSYS CFX12. 0 软件，利用 k-ε 模型进行求解。具体求解参数、边界条件与文献［10］中相同。

　　2 计算方法准确性验证