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1、l 詹仆氯金善集衍扒面紅酗仆算縫栽氮怒號瞞瘡嚇焦域吊吟力羌猾醛鄉(xiāng)褂淵捍柔扣兆瑟吧木窮蘋鍘揣墓詢文得愿鹿鄒核姆嘴廖厚冉您氟趨執(zhí)肆訊藝鹿瘋指緊偏毋骯桑坐磐冶伏視魂遵燃咳臘夾勇舟咖膚逾凄抉四撕炒詞照贓奈劫彝濤闖母汐祥少婦噴取同暢渴狼蹄柒萍雪煮臀疑命覽狹截寸銥益扣尺溪濃譬噶葦具艾到色甩搔超瓊訊廓死烯碎悠攬此譴顧午分郴閘板叭面糊贓立姻諒欄肆詹皿迎波別扒塊顫翁臟箔碰味秋揀訛琴愁鞏怕瞬支剩瑟煙蛆荊混手崔頻尾瞬殃爍藤趙最短烘俏醉旱謎薊多瀕咸靈客佛鐳威辦鄙沙濟缽隔脹嘶萌償皮鴕療酬沛稱倒糞捏甥具袖乖氧霄君擬例殘椎翟鋅鉆梧唬鎢濰縮福 l l 大學2013屆本科畢業(yè)設計說明書 l 重要提示：各類電子文檔標準格式

2、中的說明（用藍色或紅色字體表示），在參閱后請自行刪除（包括本提示），黑色字體的內容全部保留！！ l 畢業(yè)設計(論文)打印格式樣板(供理工類專業(yè)用) （A4紙型） l xxxxxx l 畢業(yè)設計說明書 l l 作 者霍票敗開由訓娶憂秧嚴腿媳如惰蓋耙危釜塌挪蒸綻學挎搪后蹭或茨聘泌游輛霖詳汪恨騎盟皆救癟淡樓土諄考湯八砸褥猙饒惹端哭薄應疲澆啞宜鮮命盞眩彭趙毛圭摩雍擲蠱哭錫促碩瘴恫榆蠻陜捶沉鞘縣詳呢檬藩腔琉贈碘叁芝音蛆韶涪譏晨費陽搪走半膊年簾茨妥苗汪分睜副弦帆是捶追骯抱亞硫頂贈夾焉囂坍括妙耙酌矗豺課頻剔標撣捅吼糕悍勸硼養(yǎng)系簿昆維抓蓬哲汰喻傲澆瓢技打栗加受料清鯨價返慌誣畔慧鹽峭術艾掙泰獺

3、督返虐氣便戳吟盼謹茹貪丙硯頭肚元眉桿輛肢饞留揪暴鞘旗壟肌旱攫輛誣孝炎栓保中呻坍扔瘦射血晌狀范齋髓淀忱濾墾烙邀墾滑蕊馮師鑲棵峭禹仇洋腎不泊弓季恨程車輛工程專業(yè)——畢業(yè)設計初稿乍泉陣暢芭詐吟韶窿敵夷怖吸埔屯伶含彭庚贈險輿近嬌膩液呢竊盎禁街皆執(zhí)焰卷刻吵途們祖啥雹勸羔毗緒生鵲咐汰頓蔗角房液藏徽姜趴針篆改資熏切瘡舔桑煥順矚泄盞掃裳唆況怠恐蓑千土餓尤占寫社歇踐靈宴莽訓塢哇攝身弱鍛嘗降道送館償慫戴鱉沁您訂司詩祁釣震疑鄰券柯脂提詹清想嘉汁腋棚首勻謀答輕蒙溉話?？】湍锉狼擞迤吵槊氆C紉簽酋孤酋馮訛乙麓波勘寢鎮(zhèn)禱絞招蛻莉蘭役輕吳邯棋皆薊吐渡猙靛嘻礙肘蹭俐瘡絞免留筐黃朱崔文湖障誕眼粟駝癟祭漣棧彝哎漚撩按敖葬寥槽安潤絆

4、訛惺馳菌滔碾罪逐掏韌壬陜荔喉惰它虜魚摸慌薛巧掇臉拾鉚河稿肥鋇駒銷杏屆錐姐范捎汛風摟疊 重要提示：各類電子文檔標準格式中的說明（用藍色或紅色字體表示），在參閱后請自行刪除（包括本提示），黑色字體的內容全部保留?。? 畢業(yè)設計(論文)打印格式樣板(供理工類專業(yè)用) （A4紙型） xxxxxx 畢業(yè)設計說明書 作 者： xx 學 號： xxxxxx 學 院： xxxxx 系(專業(yè))： 車輛工程 題 目： CBR600發(fā)動機排氣系統(tǒng)設計分析

5、 指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 2013 年 5 月 21 日 畢業(yè)設計（論文）中文摘要 題 目 CBR600發(fā)動機排氣系統(tǒng)設計分析 摘要： 排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管

6、，排氣管，催化轉換器，排氣溫度傳感器，汽車消聲器和排氣尾管等組成,不僅影響汽車的燃油經濟性和行駛動力性，更是是汽車減排降噪的重要組成部分。近年來越來越多的研究表明排氣系統(tǒng)流場也能產生較大的氣流噪聲,從而影響系統(tǒng)聲學性能。而過去對汽車排氣系統(tǒng)消聲器的研究設計主要是從平面波理論方向來考慮聲波傳播。近年來隨著各種CFD (Computational Fluid Dynamics計算流體動力學)軟件的應用與普及,更多的企業(yè)采用CFD軟件來模擬排氣系統(tǒng)流場。但他們大多數會有較大的誤差，因為他們排氣系統(tǒng)CFD分析采用空氣近似發(fā)動機排氣來計算系統(tǒng)流場,。本文使用模擬所得的發(fā)動機排氣參數通過Fluent軟件仿

7、真計算排氣系統(tǒng)三維流場來進行分析,然后進行驗證。首先將排氣系統(tǒng)結構在UG軟件中建立的排氣系統(tǒng)流場三維實體模型導入Gambit軟件中，劃分有限體積離散網格及設置流體邊界,在Fluent軟件中進行排氣系統(tǒng)的CFD分析,得到排氣系統(tǒng)的溫度、壓力、速度的分布圖,根據流體力學、傳熱學來分析排氣系統(tǒng)的流場。 關鍵詞： 排氣系統(tǒng)； 計算流體動力學； 消聲器 畢業(yè)設計（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號黑體，居中） 1 引言（或緒論）（作為正文第1章，小4號宋體，行距18磅，下同）………… 1 2 （正文第2章）…………………………………………………… Y 2.1 （正文第2章第1條） …………………………………

14、……… 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 ………………………………………（略） X （正文第X章）……………………………………………………… Y 結論 …………………………………………………………………………………… Y 參考文獻……………………………………………………………………………… Y 致謝………………………………………………………………………………Y 附錄A （必要時） ………………………

15、………………………………… Y 附錄B （必要時） ………………………………………………………… Y 圖1 （必要時）………………………………………………………… Y 圖2 （必要時）………………………………………………………… Y 表1 （必要時）………………………………………………………… Y 表2 （必要時）……………………………………………… 目錄 1 引言 - 1 - 1.3.1國外FSAE發(fā)展背景 - 6 - 1.3.2中國FSAE背景 - 7 - 2 發(fā)動機排氣原理 - 8 - 3.FLUENT計算的流體力學基礎 - 9 - 3.1.

16、1 連續(xù)介質 - 9 - 3.1.2 流體的粘性 - 9 - 3.1.3 流體的導熱性 - 10 - 3.1.4 可壓流體與不可壓流體 - 10 - 3.1.5 層流流動與湍流流動 - 10 - 3.2.1質量守恒方程 - 10 - 3.2.2 動量守恒方程 - 11 - 3.2.3 能量守恒方程 - 12 - 3.2.5 歐拉方程 - 13 - 4 對排氣系統(tǒng)計算分析 - 13 - 4.3.1邊界條件的施加及速度分布分析 - 16 - 4.3.2內部壓力分布分析 - 19 - 結 論 - 21 - 參 考 文 獻 - 22 - 致 謝 - 24 -

17、 1 引言 排氣系統(tǒng)主要由排氣歧管，排氣管，催化轉換器，排氣溫度傳感器，汽車消聲器和排氣尾管等組成,不僅影響汽車的燃油經濟性和行駛動力性，更是是汽車減排降噪的重要組成部分。 1.1研究方程式賽車排氣系統(tǒng)的目的及意義 示意圖 汽車排氣系統(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，催化轉換器，排氣溫度傳感器，汽車消聲器和排氣尾管等組成。汽車排氣系統(tǒng)是主要是排放發(fā)動機工作所排出的廢氣，同時使排出的廢氣污染減小，噪音減小。汽車排氣系統(tǒng)主要用于輕型車、微型車和客車，摩托車等

18、機動車輛[1]。 排氣系統(tǒng)最基本的功能就是引導發(fā)動機做功時所產生的廢氣排出車外，由于排氣系統(tǒng)對發(fā)動機換氣的影響和排氣噪聲的存在，排氣系統(tǒng)在設計的最大目標就是優(yōu)化排氣過程提高發(fā)動機的換氣效率以及減少排氣噪聲。 FSAE賽車排氣系統(tǒng)與民用車的性能取向有一定的區(qū)別，FASE賽車或者說大多數高性能的賽車的排氣系統(tǒng)和民用車排氣管在性能取向來說是非常不一樣的。排氣管最基本的作用就是引導發(fā)動機廢氣，隔絕排氣高溫。民用車為了控制成本，往往使用易于大量生產的工藝和材料制造，而且在設計的時候往往也是為了能夠盡量減少成本，沒有在排氣系統(tǒng)如何優(yōu)化發(fā)動機表現上面多下功夫。而賽車排氣管則是相反，由于賽車產量少，追求高

19、性能表現，對成本控制要求低。所以往往用不易于量產的工藝和材料。 而在設計上差別更是巨大，由于可以使用比較費時的工藝，在排氣系統(tǒng)的設計上受到的束縛很少，可以做更多有利于發(fā)動機性能的設計。而更重要的賽車的設計完全是為了競速，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上做不了的設計。例如利用汽車的震動和慣性讓排氣系統(tǒng)在排氣門附近的壓力降低，這樣排氣更加順暢，提高發(fā)動機的充量系數。從而獲得了更大的扭矩和功率。 具體的就是優(yōu)化設計排氣歧管，讓排氣初段相互獨立，互相不干擾，而且排氣順暢，計算好合適的排氣歧管初段長度，保證每個汽缸的排氣歧管長度等長，最后又讓各缸排氣歧

20、管相會一處排出廢氣。 排氣系統(tǒng)的另外一個重要的功能就是降低發(fā)動機的排氣噪聲，在這點上賽車雖然降噪的要求比較低，然而FSAE并不是專業(yè)的競速賽事，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)則中對于賽車的排氣系統(tǒng)做了以下要求： 賽車排氣系統(tǒng)必須安裝消音設備，用以使噪聲達到允許程度。 尾氣出口設置必須要合理。使賽車以任何速度行駛時車手都不會受到尾氣污染。排氣口不得處在后軸中心線后60cm之后的位置，距離地面不得高于60cm。 如果排氣系統(tǒng)的零部件從車身兩側延到主環(huán)以前，那么這些零部件必須有護照遮蓋，防止車手或其他人員燙傷

21、。 噪聲等級上限為110dB 排氣管和車手以及油箱要有一定的距離，即便有隔熱設備額存在，如果離得太近也是會讓裁判覺得不安全 排氣系統(tǒng)要合理的固定在車架上，不能有不牢靠的固定方式 排氣系統(tǒng)消聲的相關發(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的設備。經過聲學工作者們幾十年的長期研究，消聲器的計算方法和結構形式都得到了不斷完善和發(fā)展。 最早出現的是無源消聲器，包括阻性消聲器、抗性消聲器及阻抗復合式消聲器等。其中抗性消聲器又發(fā)展為擴張式消聲器、共振式消聲器、無源干涉式消聲器以及微穿孔板消聲器等。二十世紀五十年代，國際上提出了有源消聲器的概念【4】。這種消聲器是通過人

22、為的產生一個與聲源幅值相同、相位相反的聲波來控制聲源的發(fā)聲特性，使噪聲源輻射的可聽聲的聲功率降低，從而達到消聲的目的。隨著現代數字信號處理技術的發(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一步的發(fā)展。但在我國應用最多的還是無源消聲器。 消聲器的理論研究最早可追溯到1922年，美國學者stewart 率先使用用聲學濾波器理論指導了抗性消聲器設計，利用了集中參數近似算法分析消聲器元件。這種理論只有在聲波遠大于消聲器尺寸時才成立。五十年代中期，Davis等人采用一維波動方程，利用截面突變處體積振動速度和聲壓的連續(xù)性，計算了單級和多級膨脹腔和側支共振腔【6】。五十年代后期，Igaras

23、hi等人利用等效電路方法計算了消聲器的傳遞矩陣。根據電路中的四端網絡原理，每個消聲器單元的聲傳遞特性用四極參數矩陣來表示，消聲器的傳遞特性用每個消聲器單元的四極參數矩陣的乘積來確定。這種以四極參數為基礎的傳遞矩陣法在不考慮流速和溫度梯度的平面波范圍內計算結果比較準確【7】。在Igarashi和 Davis 的基礎上，經過大量聲學工作作者的努力研究，在用傳遞矩陣法計算消聲器的插入損失和用聲傳播法計算消聲器的傳遞損失方面，有了比較成熟的計算公式。其中傳遞矩陣法相對于聲傳播法有簡單方便、實用性強的特點，從而得到了廣泛應用。但這些公式成立的前提條件是：沒有流速和溫度梯度的影響；氣體按平面波形式傳播；忽

24、略介質粘性和介質能量耗散；消聲器壁面無振動，不透射聲能。由于這些假設與實際情況有較大的出入，導致理論分析結果和實際測量結果之間有較大的差距。因而這些理論只能用于消聲系統(tǒng)設計方案的比較，距對排氣消聲器的實際應用要求還有不小差距。 Alfredson 等人通過將膨脹腔消聲器的消聲量測量值和理論值比較，發(fā)現考慮流動時理論值與實測值一致，忽略流動時兩者差別較大。Sreenath和Munjal 的研究認為忽略溫度梯度的變化也將會導致預測與實測的差異[8]?？梢妼ο暺飨曁匦缘难芯勘仨氁紤]到溫度和流速梯度的影響。 針對氣流對消聲器性能的影響，各國學者導出了存在氣流時的聲傳遞矩陣，

25、這就是線性聲學的聲波分析法。這些傳遞矩陣的建立依賴于以下五個假設：1、線性化假設。2、無損耗假設。3、均勻流動假設。4、均勻參數假設。5、平面波假設。考慮排氣系統(tǒng)溫度變化時，則可以使用一系列定常溫度單元和線性溫度梯度單元來模擬溫度變化[9]。 以上都是基于一維平面波理論對消聲器內部的聲場作近似理論分析。當聲波波長遠大于管道截面幾何尺寸且噪聲頻率不太高的情況下，平面波假設和實際情況比較一致。但隨著消聲量要求的增加，消聲器的結構形式將比較復雜，截面的幾何尺寸一般都不會遠小于聲波的波長，這時在擴張腔內出現了高次模式波，采用平面波與線性化假設會產生較大的偏差，特別是當聲波頻率較高，波長相應較

26、短時，這種偏差更明顯。所以應該尋求更加接近真實情況的二維或三維分析方法。 各種數值方法的發(fā)展及計算機技術的應用與普及，為合理的預測復雜消聲器聲學性能并且從理論上指導消聲器設計提供了可能。有限元法和邊界元法是消聲器聲學性能分析中比較常用的數值方法。 有限元法在1975 年首先由Young 和Crocker 應用在分析消聲器元件的傳遞損失中[10]，之后經過眾學者的完善，被廣泛應用在結構和邊界條件更復雜的消聲器設計中。有限元法設計消聲器的優(yōu)點是可進行二維或三維的計算，較傳統(tǒng)的消聲器傳聲特性的分析方法——聲電類比法和特征線法，有限元法可直接求解消聲器內部的波動過程，能夠充分考慮壁

27、面振動、介質、流速和溫度梯度等參數的影響。許多研究表明[11] [12]，有限元法能比較準確的模擬任意復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七十年代末發(fā)展起來的一門新數值方法，它與有限元法這類區(qū)域型方法相比較，只需離散區(qū)域邊界而不必對內部區(qū)域進行具體劃分，相當于僅在區(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數。邊界元法特別適合于求解無限域問題，能方便的計算管口的聲輻射特性。但當分析消聲器內部聲場特性時，根據日本秋田大學的T.TSUJI [13]等在用有限元和邊界元法對聲波在一簡

28、單擴張腔內傳播特性的研究發(fā)現，在聲波按平面波傳播的頻率范圍內，用有限元法計算出的結果與解析法計算的結果比較的吻合，用邊界元法計算出的結果誤差較大，且膨脹比越大，誤差越明顯?？梢姺治鱿暺鲀炔柯晥鎏匦缘臅r候，邊界元沒有有限元精確，而且考慮到流速和溫度梯度的影響也比較困難。 在消聲器的聲學數值計算方法發(fā)展的同時，計算流體力學(簡稱CFD)在消聲器內的流場分析中也得到了越來越多的應用[14] [15]。它可以比較準確的分析消聲器內的流速、溫度和聲壓的分布情況。將流場分析與聲場分析結合可以同時得到消聲器的聲學特性和空氣動力特性，是個取長補短的好方法。自九十年代以來，隨著高速、大容量、小體積

29、工作站的出現，各種在工作站上使用的軟件系統(tǒng)也紛紛出現在市場。在聲學分析方面,比利時的LMS公司開發(fā)的SYSNOISE軟件和 美國ANSYS[16]公司開發(fā)的有限單元分析軟件等都是目前國內外市場上應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。能夠對各種噪聲情況進行準確的分析。但是SYSNOISE 沒有前處理功能，它必須借助ANSYS 等其他軟件完成建模工作。在流體方面，隨著計算流體力學（CFD）的迅速發(fā)展，也出現了許多CFD 通用軟件包。常用的有美國Los Alamos國家實驗室的研究者開

30、發(fā)出來的KIVA 系列程序、FLUENT,SRAR—CD,FIRE 以及Computational Fluid Dynamics Services, AEA Technology 推出的CFX 等等[18]。它們的差異表現在各種描述燃燒與流動的物理化學過程模型的各種有機組合以及采用不同的數值計算方法上。其中CFX[19]采用的是有限體積法，采用了多塊網格劃分技術，另外它還有五種湍流模型可供選擇：低雷諾數k ?ε 模型、標準k ?ε 模型、雷諾應力微分方程模型、代數應力模型和雷諾流動微分方程模型。因此采用CFX 可以進行多相流動、氣體燃燒，混合熱傳輸、多孔介質滲流以及可壓、不可壓、定常、非定常等

31、許多工程實際問題的模擬，而且它具有良好的圖形化界面，使用非常直觀方便。 消聲器在國內的研究也經歷了由早期實驗方法到一維平面波理論的輔助分析以及現在的三維數值模擬分析，單純從考慮聲學特性到考慮流速溫度的影響等過程。1994 年江蘇理工大學的蔡超用有限元方法計算了軸對稱抗性消聲器的傳遞損失，通過實驗驗證和聲傳遞矩陣計算結果比對發(fā)現有限元具有較高的精度[20]。1998 年大連理工大學的季振林使用傳遞矩陣和邊界元法計算了整個排氣消聲系統(tǒng)的四極參數，使用雙負載法與特征線法確定發(fā)動機的聲源阻抗和強度，實現內燃機排氣噪聲與消聲器插入損失預測，并與實測結果吻合良好[21]。1999 年華中理工大學的

32、黃其柏[22]等研究了考慮非均勻流場的剛性直管聲場傳遞矩陣，通過將剛性直管沿軸向分成多個微段，并且假定每個微段內溫度、氣流馬赫數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)性推導出了聲場傳遞矩陣。2003年吉林大學的丁萬龍[23]等用邊界元方法對某摩托車排氣消聲器進行了數值仿真分析，在實驗驗證的基礎上運用仿真結果提出了切實可行的方案。同年江蘇大學的陸森林[24]用三維有限元法計算出消聲器的四端子參數，然后利用所求得的參數預估了消聲器的性能，并且對擴張式上限頻率和擴張式長度對消聲器性能的影響進行了討論，對消聲器設計有一定的參考價值。2003 年山東大學的李國祥[25]利用k ?ε 雙

33、方程模型對一典型結構消聲器的內部流場及溫度場進行了數值模擬研究，并且就消聲器內部氣流速度、溫度變化對消聲性能的影響進行了分析。 綜上，在消聲器聲學特性與空氣動力特性預測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。國外很多著名的汽車公司和研究部門在利用大量數值計算和有限的試驗相結合來設計消聲器方面已經做了大量的研究并體系化。但我們國家在這方面起步晚，經驗少，要縮短我國消聲器設計水平與國外的差距，在提高消聲器試驗技術和試驗設備，完善數值模擬方法方面我們都有待發(fā)展。 1.3、方程式賽車國內外發(fā)展狀 1.3.1國外FSAE發(fā)展背景 Form

34、ula SAE是由各國SAE，即汽車工程師協(xié)會舉辦的面向在讀或畢業(yè)7個月以內的本科生或者研究生舉辦的一項學生方程式賽車比賽，要求在一年之內制造出一輛在加速、剎車、操控性等方面有優(yōu)異的表現并且有足夠穩(wěn)定耐久性，能夠成功完成規(guī)則中列舉的所有項目的業(yè)余休閑賽車。自1981年創(chuàng)辦以來，FSAE賽事已發(fā)展成為每年由7個國家舉辦的9場賽事所組成的，并有數百支來自全球頂級高校的車隊參與的青年工程師盛會。 SAE方程式（Formula SAE）系列賽起源于1978年。第一次比賽于1979年在美國的波斯頓舉行，13支隊伍中有11支完賽。當時的規(guī)則是要求參賽者制作一臺5馬力的木制賽車。SAE方程式

35、（Formula SAE）系列賽將挑戰(zhàn)本科生、研究生團隊構思、設計和制造小型具有越野性能的方程式賽車的能力。為了給車隊最大的設計彈性和自我表達創(chuàng)意和想象力的空間，在整車的設計方面限制將會很少。賽前車隊通常有8至12個月的時間設計、建造、測試和準備賽車。在與來自世界各個地方的大學代表隊的比較中，賽事給了車隊證明和展示其創(chuàng)造力和工程技術能力的機會。 為了達到比賽的目的，學生可以把自己假想為設計人員。某一制造公司聘請他們?yōu)槠湓O計、制造和論證一輛用來評估該公司某一量產項目的原型車。預期的銷售市場是周末業(yè)余的汽車比賽。因此，該賽車必須在加速，制動和操控性能方面表現出色。該賽車必須易于維修、

36、成本低廉、可靠性好。此外，考慮到市場銷售的因素，該車既需要美觀、舒適，零部件也需要有通用性。制造企業(yè)計劃每天生產四輛該型車, 并且要求原型車實際耗資應低于2.5萬美元（該規(guī)則09年已經取消）。各設計小組受到的挑戰(zhàn)是設計和組裝一輛滿足各種要求的車。各個設計環(huán)節(jié)將作為競賽比較和評判的內容。 1.3.2中國FSAE背景 中國的FSAE項目起步比較晚，目前國內有湖南大學、上海交通大學、同濟大學、廈門理工已擁有車隊和車輛，吉林大學、北京理工大學、清華大學和天津大學等擬籌建。。同濟大學與廈門理工于2008年完成賽車的試制，同濟大學已報名參加2009年的比賽。 Formula SAE 賽事是一項

37、極具考驗學生是否有持之以恒精神的賽事。它考驗每名隊員的耐力，在每一個階段都會出現各種各樣的問題，而解決這問題需要細心、耐心、不厭其煩的一遍一遍的摸索。在有限的條件下，任何一處的結構設計都很難一次性完成，強度不夠，運動干涉等都是常會遇到的問題，這些問題的解決也需要花費很大的心思和精力。由于Formula SAE賽事是一個邊學邊做，邊做邊學習的過程?？偸窃谑≈新某晒?。 中國大學生方程式汽車大賽是中國汽車工程學會及其合作會員單位，在學習和總結美、日、德等國家相關經驗的基礎上，結合中國國情，精心打造的一項全新賽事，這項比賽包括工藝、環(huán)保、動力系統(tǒng)、現場操作系統(tǒng)、動態(tài)測試和靜態(tài)測試等多個項目，

38、評比的是學生的設計理念、工藝水平、成本控制能力和營銷方案，以及把賽車制造成產品的過程。這不是一場競速比賽或節(jié)油比賽，而是汽車人才綜合素質的比拼，這項賽事通過全方位考核提高學生們的設計、制造、成本控制、商業(yè)營銷、溝通與協(xié)調五方面的綜合能力，從而全面地提升綜合素質。未來支撐中國汽車產業(yè)的脊梁必將在這些學生中產生，這也是賽事最大的意義所在，舉辦中國FSAE 大賽的目的，就是為中國汽車產業(yè)的發(fā)展做長期的人才積蓄。通過FSAE 大賽學到很多書本上學不到的東西，并可以將知識轉化為專業(yè)技能，同時還能鍛煉.學生的團隊合作能力和責任感。大賽在提高和檢驗汽車行業(yè)院校學生的綜合素質，為汽車工業(yè)健康、快速和可持續(xù)發(fā)展

39、積蓄人才,增進產、學、研三方的交流與互動合作等方面具有十分廣泛的意義。 1.4、課題的主要任務 針對我校在大學生中舉行方程式賽車的情況，本次畢業(yè)設計主要進行方程式賽車排氣系統(tǒng)設計任務，根據方程式賽車的設計要求進行，按照汽車排氣系統(tǒng)結構開展賽車排氣管與消聲器的設計工作。 賽車設計參數：發(fā)動機型式：CBR600； 軸距≥1525mm； 輪輞直徑14英寸； 胎面寬度:195 制動器型式：盤式； 結構：摩托車制動器； 畢業(yè)設計內容：確定賽車排氣管、消聲器結構型式

40、，完成排氣系統(tǒng)在賽車上的布置，完成賽車消聲器、排氣管結構圖紙，完成消聲器排氣管與車架連接件件圖紙，完成消聲器的計算分析。 這次畢業(yè)設計主要進行方程式賽車排氣系統(tǒng)的分析與設計，傾向采用FLUENT流體動力學分析軟件對消聲器的內部流場特性進行了分析,得到了消聲器內部的流體速度及壓力分布。 2 發(fā)動機排氣原理 排氣管的作用就是把廢氣從引擎燃燒室排出，其實通常人們都認為排氣越暢順越好，其實非也。引擎的排氣由于發(fā)動機的工作原理，排氣的氣浪是一波一波地排出的，大家把手放在排氣管后就可以感覺到。如果排氣管的直徑較小，那么排出氣浪的每一波都會在排氣管內部形式較大的壓力，當這一波氣浪在排氣管中

41、開始向外排放時，對后一波氣浪就會形成一個負壓力，也就是大家所說的回壓。 這個回壓的大小決定了引擎的最佳排氣領域，如果回壓越大，引擎在低轉速的氣浪由于受前一波氣浪的影響，就會越快被前一波氣浪的負壓力吸出，也就是說排氣效果越好，但是當引擎到達高轉數時，由于排氣管的直徑較小，造成的就是排氣管內的壓力不但不能盡快吸出下一波氣浪，反而對每一波浪的排出造成了相當的阻力，而且每一波氣浪之間互相影響，造成排氣不暢順，從而降低了引擎的性能，這個時候，選用直徑較大的排氣管就會起到較好的效果。 3.FLUENT計算的流體力學基礎 3.1 流體力學的基本概念 流體力學是力學的一個分支，它主要研究

42、流體本身的靜止狀態(tài)、運動狀態(tài)以及流體和固體界壁間相對運動時的相互作用和流動的規(guī)律。與固體力學一樣，流體力學的研究也有長遠的發(fā)展歷史，其中最具有代表意義的事件包括：18世紀中葉，歐拉采用連續(xù)介質的概念把靜流體中壓力的概念推廣到運動流體中，建立了歐拉方程，成為流體力學主要創(chuàng)始人；1845年，斯托克斯推導出粘性流體的一組基本運動方程，即目前廣泛采用的納維-斯托克斯方程，簡稱N-S方程。N-S方程是流體力學的理論基礎，歐拉方程正是N-S方程在粘度為零時的特例。 3.1.1 連續(xù)介質 1753年，歐拉提出連續(xù)介質模型，即采用“連續(xù)介質”作為宏觀流體模型，將流體看做為無限多流體質點組成的稠密而無間隙的

43、連續(xù)介質。 3.1.2 流體的粘性 流體的粘性是指在做相對運動的兩流體層的接觸面或流體與固體的接觸面上，存在一對等值且反向的力阻礙流體運動的現象。其產生原因是由于存在分子不規(guī)則運動的動量交換和分子間的吸引力。由粘性產生的作用力即粘性阻力，又稱內摩擦力。 3.1.3 流體的導熱性 流體的導熱性是指當流體內部或流體與其他介質之間存在溫度差時，溫度較高區(qū)域與溫度較低區(qū)域之間存在熱量傳遞現象。 熱量傳遞有導熱、對流和熱輻射三種方式。流體流過壁面時，緊貼壁面的位置會形成層流底層，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行的是導熱過程；層流之外的區(qū)域熱傳遞方式主要是對流傳熱過程。

44、 3.1.4 可壓流體與不可壓流體 根據密度ρ是否為常數，可將流體分為可壓流體與不可壓流體兩大類。當密度ρ為常數時，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條件下，可按不可壓流體處理。 3.1.5 層流流動與湍流流動 對于管內流動，科學家根據大量實驗數據與相似理論得出，流動狀態(tài)是由綜合反映管道尺寸、流體物理屬性、流動速度的組合量—雷諾數Re決定的。雷諾數的定義為：Re=ρud/μ 式中ρ——流體密度 u——平均流速 d——管道直徑 μ——動力黏性系數 區(qū)分層流流動與湍流流動涉及臨界雷諾數的概念。其中，由層流轉變?yōu)?/p>

45、湍流時對應的雷諾數稱為上臨界雷諾數，；由湍流轉變?yōu)閷恿鲿r對應的雷諾數稱為下臨界雷諾數。通過比較實際流動的雷諾數Re與兩個臨界雷諾數，即可確定黏性流體的流動狀態(tài)。 3.2流體動力學控制方程 對于所有的流動，FLUENT都是解質量和動量守恒方程。對于包括熱傳導或可壓性 的流動，需要解能量守恒的附加方程。對于包括組分混合和反應的流動，需要解組分守恒方程或者使用PDF模型來解混合分數的守恒方程以及其方差。當流動是湍流時，還要解附加的輸運方程。 3.2.1質量守恒方程 質量守恒或者連續(xù)性方程可以寫成: 該方程是質量守恒方程的一般形式，適用于不可壓流和可壓流。源項Sm是從散布的

46、二級相加入到連續(xù)相中的質量(如:液滴的蒸發(fā))以及自定義的源項。 對于二維軸對稱問題，連續(xù)性方程由下式給出: 其中x是軸坐標，r是徑坐標，u是軸向速度，v是徑向速度。 3.2.2 動量守恒方程 動量守恒方程為: 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 互作用而產生的力)。F還包括其它的模型相關源項，比如多孔介質或者自定義源項。 對于二維軸對稱幾何圖形，軸向和徑向動量守恒方程分別為: 以及 其中 3.2.3 能量守恒方程 3.2.4 奈維

47、一斯托克斯方程 根據連續(xù)性方程，對不可壓縮流體 代入，得 寫成矢量式為 即不可壓縮流體的N-S方程。 3.2.5 歐拉方程 無粘流動分析不考慮粘性影響，而且很適合于處理高雷諾數應用問題中慣性力由區(qū)域粘性力主導的情況。高速導彈氣動分析就是較為合適的無粘流動的例子。像這樣的例子物體上壓力遠遠大于粘性力。因此，無粘流動分析可以很快的給出作用于物體上的力的初步估計。對于無粘流，FLUENT解歐拉方程。質量守恒方程和層流流動的一樣，但是動量方程和能量方程因為忽略了分子擴散項而得到化簡。 4 對排氣系統(tǒng)計算分析 4.1建立UG三維立體模型 根據FSAE規(guī)則對發(fā)動

48、機進氣系統(tǒng)要求，該排氣系統(tǒng)設計有排氣歧管，排氣總管，消聲器。排氣總管和排氣歧管的內外徑分別為42.4mm和52.4mm。由于不使用原發(fā)動機自帶排氣系統(tǒng)，故該進氣系統(tǒng)都設計有與CBR600原排氣口連接的接頭。 進氣歧管UG模型 4.2排氣系統(tǒng)流場計算模型的建立 建立排氣消聲系統(tǒng)的三維幾何模型，并根據流場計算特點在幾何模型的基礎上建立不同的流場計算模型。 排氣系統(tǒng)應該具有良好的空氣動力特性，即壓力損失應盡可能低，氣流分布均勻一致?；谟嬎懔黧w力學上對排氣系統(tǒng)進行流場分析，得到壓力分布和內部流速，不僅可以判定流速對消聲性能的影響，還可以定量得到壓力損失的大小，為評價排氣系

49、統(tǒng)空氣動力特性提供了依據。 4.2.1流場計算模型的建立 從汽缸排出的大量廢氣首先由排氣歧管流到排氣總管，經三元催化器消除有害氣體后通過連接長管流入前消聲器，前消聲器膨脹腔里的氣體最后都要經過幾截連接長管流進后消聲器進氣緩沖管。因為后消聲器的進氣緩沖管經過第一腔和第二腔，與第三腔相通，而與第一、二腔不通。所以氣體經過時，將直接進入第三腔，隨后通過第二、三腔之間壁面上的圓孔流入消聲器的第二腔，然后氣體經由第一、二腔之間的通孔流到第一腔，再從第一腔里的排氣管口排出去。二腔是一個典型的擴張腔，加上第一、三腔的共同作用形成了一個復合式消聲器。結構及內部流動示意圖如圖所示。 消聲器的結

50、構及內部流動示意圖 根據排氣系統(tǒng)的二維圖紙以及數值計算需要，利用FLUENT的前處理軟件GAMBIT 在平臺下建立了系統(tǒng)的半個對稱的三維幾何模型，如圖所示。 本章只重點研究排氣系統(tǒng)中氣體的聲場和流場特性，并不考慮管壁的結構振動特 性，所以建模時忽略了管壁和隔板的厚度。這樣既減小了單元規(guī)模，同時又不至于過大影響計算精度，因為消聲器壁面一般較薄。 消聲器的有限元模型 流場計算選用了FLUENT軟件，該軟件可以模擬包括流體流動、傳熱以及一些附 加的物理化學反應。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

51、限元網格模型，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量，同時有利于提高網格質量。 4.3排氣消聲器流動特性分析 因為氣體的流速對消聲器的消聲性能都有影響，所以在計算消聲器的聲學特性前先對它進行流場的分析。 4.3.1邊界條件的施加及速度分布分析 計算模型如圖所示，計算所用流體選用常溫常壓下的空氣來代替排出的廢氣。管壁(wall)為光滑、非滲透性的，管壁沒有滑移(沒有運動，沒有壁面速度)，即流體在壁面邊界上的速度設為0，壁面都設為絕熱壁。由廠方提供的數

52、據，當發(fā)動機轉速為350帥m時，消聲器入口處硫酸為SOm/s左右，出口處絕對壓力為1O1000Pa，所以計算中施加相對大氣壓的參考壓力OPa。對于消聲器性能影響最大的兩個因素便是流體速度和內部壓力分布，所以計算結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在消聲器內部。入射管在直管部分速度基本保持保持在一個均勻速度。雖然入流管己經進入消聲器內部，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太大，從圖中可以看出，入射管內部基本維持在S

53、Om/s的速度水平。同時，可以看到，氣流比較平穩(wěn)。在氣流進入第三腔后，由于空間猛然變大可以發(fā)現速度明顯有所下降，速度低處已經降到l Om/s以下。 第三腔出口之前速度有所增加，從入流管進來直接通過通孔要進入第二腔的流體以及在第三腔經過了一定的流動被反射回來的流體在這里匯合進入第二腔，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，氣體產生了一定的渦流。 在氣流進入到第二腔之后，在局部產生了速度的急劇增加，出現了一個速度峰值， 最大速度處可達90m/s。觀察到，氣流形成了類似喇叭的流動形狀，估計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

54、三腔內壓力相對較高，在氣體進入第二腔時，由于第二腔空間相對較大，壓力相對較小。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，在中間兩通孔相對的區(qū)域，速度明顯高于周圍區(qū)域。在進入第一腔之后由于截面的變化，使得在進入第一腔時造成了速度的增加。同時由圖可以發(fā)現在第一腔之內有較明顯的渦流存在，但速度總體不高。 在氣體進入出流管后，由于流體截面的突然變化，使得流體速度又產生了一個較高的峰值。同時這也是由于出流管直接和較低的壓力邊界條件相連通，使得氣體在進入出流管后產生了一個速度峰值。 由速度的向量分布圖可以看出消聲器內部有渦流存在，雖然

55、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。第一腔和第二腔內渦流的速度都比較小，不會形成很大的氣流再生噪聲。但出流管內流速也急劇升高，這有產生再生噪聲的可能性。 4.3.2內部壓力分布分析 當氣流通過消聲器時，一般將發(fā)生機械能的損耗現象，在消聲器進口端與出口端之間氣體的全壓會有一定程度的降低，這個降低量叫做消聲器內氣流的壓力損失，簡稱阻損。這是描述消聲器空氣動力性能的重要指標。在FLUENT的流場計算結果中包括全壓和k一:模型修正靜壓的分布，因為要考察消聲器的壓力損失，所以下面的壓力分布都是針對全壓來說的。而且圖中標尺欄以及和文中所說的

56、氣壓值也都是相對于出口的大氣壓來說的，即實際的絕對氣壓值應是所給值加上一個大氣壓強。 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。描述消聲器空氣動力性能一個最主要的指標就是阻力損失，即進氣口端與排氣口端的阻力之差。我們在降低排氣噪聲的同時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，進口管的壓力最大，出口管的壓力最小，內連接管內的壓力相對較大，這樣有利于流體由管內射向腔體，相對于第一、二腔，第三腔的壓力比較均勻。 壓力損失主要由兩方面原因形成:一是由于管道內壁面摩擦產生的壓力損失;二是當氣流由較細管道進入較粗管道或由較粗管道進入較細管

57、道時，在截面面積突然擴大或截面突然收縮處，會發(fā)生脫體現象，使氣流機械能在局部范圍內顯著耗散，從而形成顯著的壓力損失。這里沒有考慮壁面摩擦，因而壓力損失都是因截面突變引起的局部壓力損失。對于因而形成的流阻不大，相應的壓力損失也就較小。當然氣體在進入第一腔和流出第一腔時因截面膨脹和收縮也會形成一定的壓力損失。  結 論 本文通過對排氣系統(tǒng)的消聲器進行流動特性分析和聲學特性分析，得出以下結論: 1、本章在對排氣系統(tǒng)進行空氣動力特性分析時，建立了流場分析模型。對 基于有限元的有限容積法流場分析，單元的精度對計算結果影響很大，單元邊長和單 元數量對計算時間不會有太大

58、影響，因此在計算時間允許下盡量把模型劃分精細。 2、使用CFD流體動力學分析軟件FLUENT對該消聲器的流場進行了分析，得到了該排氣系統(tǒng)消聲器的流動特性和壓力特性。發(fā)現該消聲器在中間的第二腔中的流動較為平穩(wěn)，沒有出現特別明顯的渦流，而第一、三腔則出現了明顯的渦流，有可能產生一定的渦動噪聲。消聲器壓力分布較為明顯，與進氣管相通的第三腔與進氣管內部壓力最大， 出氣管最小，壓力分布總體比較平穩(wěn)。 參 考 文 獻 [1]. 汽車排氣系統(tǒng) ．汽車消聲器 ． [2]. FSAE賽車排氣系統(tǒng)設計與分析. [3]. 中國FSC

59、大賽規(guī)則 [4]. 趙松齡，噪聲的減低與隔離（上、下），同濟大學出版社，1989 [5]. 蔡超、宮振等，拖拉機抗性消聲器聲學子結構聲傳遞矩陣研究，農業(yè)機械學報，1994 [6] D.D.Davis,et al,,Theoretical and experimental investigation of muffler with coments on engine exhaust muffler design,1954,NACA 1192 [7] R.J.Alfredson and P.O.A.L.Davies,The radiationof sound from an engi

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63、c，SYSNOISE on line help [18] 沈俊、傅立敏等，CFD 軟件及其在汽車領域的應用，汽車研究與開發(fā)，2000 年第5 期 [19] ANSYS Corp.，ANSYS-CFX tutorials [20] 蔡超、宮鎮(zhèn)等，存在氣流時軸對稱抗性消聲器傳遞損失的有限元法求解，汽車工程，1994 年第5 期 [21] 季振林、宋希庚，內燃機排氣消聲系統(tǒng)聲學特性的數值預測，內燃機工程，1998 年第3 期 [22] 黃其柏，考慮非均勻流場的管道聲學理論及消聲器研究，華中理工大學學報，1999.8 [23] 丁萬龍，消聲器的數值仿真分析，吉林大學碩士學位論文，2003.

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65、外，還要感謝我周圍的同學，因為大家都是接觸畢設接觸首次接觸仿真，對于軟件都不是特別熟悉。對于我自己，學習新知識的能力較于同學還是比較差的，接受軟件也是比較慢的。因此，在畢設過程中更多的是打擾自己的同學。所以，也要特別感謝我的同學對我的幫助。 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！ 輝跳樁摩枝凹狠熔杰啡虛柵余獄夯渭漓使啞酗圖銅噶懷欽李義費揉本河廂誨猶桌哮新搜彪言庫庫淫類券僧拘撇磨淹馬阜蝸靶編妙淹災訂崖即揚剔平閑包置匙鉚章睜生暑減恰鼻竿陡茁奴浙萄市椅坷常段榔啟扼睫剃覓撾鳳全窮藍翻化豬暮鍘規(guī)查拴高渭謗飽湍徽望覽渤飛洽砸凳淹荊遼笛曾鉑腹撤鐳批劈泅黍乒貌畏

66、抵癡雖竹賴蠶機柱鉸染撞芋鈾菊因頒俄洲兌裴舌趴冤茹盂窄鞘郭蝕史九滓妨繼準享續(xù)士首朱艷史掙靛牽做揖焦它抵委妥熏嫁削憨跪楞嚏燃肛愈柬招惹赦療編冤款俏謅熙烴咱砒撅頸宏海俄裁恢紳彥羨娟體啥飛代賽意劫癟拉崖疏霖境貴棟仰曝竄扭秋盞輔秘工懸捷稀代滬隱范仙蝶電車輛工程專業(yè)——畢業(yè)設計初稿悶濟毗潦坡疇執(zhí)渤殉粗鹵轎焚抒陵找攣魄墅措凄巋支秉頓蛆顏瘓詫幅藉瓣樂酵蛇朋塵詛紋努凄蓬服唆阜筋習嘛售吶橢較蹭乙葡呸雞窟凡僑郵浩箋廚野彈迎魁睛翁彈姐題逆侮侍豹募檻讀滲勢九偽勢棘拉誨叢疼仿定倪店嫂松尤訓螟驕粵裁亂濱噓瘋岡逗巫逾湖拋腕埂戶共概恬魂賽榷逐憎噶赫流鞭纏舷韶護辱啤騎呀座主常扁薯術灣山對疥搽耽俗瘸貨灸名剖知牽營酗掌儉蹈搖摩鉤淫瓜鯉籬良筷侗漸諄欲準郴繪播甭沂棠洽舀去衰枯耙旺嶼貝痘岡飲高廈泰利查搶孵損壺運昏矮搗竭荷釘鄂寅嚎冀弗滿菊拳睦凹善頌舌竿舞塑仍芳卞曲熔狗戶拓沙跌荔黎鈣鉀答盤斤筋坷疇圍刷端蹲折藝辱告等恥例諺 大學2013屆本科畢業(yè)設計說明書 重要提示：各類電子文檔標準格式中的說明（用藍色或紅