Численное моделирование выпускной трубы двигателя с системой активного шумоподавления
Автор: Иванцов Андрей Олегович, Клименко Людмила Сергеевна, Любимова Татьяна Петровна, Ру Бернар
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 4 т.14, 2021 года.
Бесплатный доступ
Изучается выпускная труба двигателя внутреннего сгорания с системой активного шумоподавления. Предложено поместить в выпускную трубу двигателя дополнительный контролируемый источник звука, противоположного по фазе звуковым волнам, идущим от двигателя. В качестве такого источника рассмотрена круглая пластинка, совершающая вращательные колебания с заданной частотой и амплитудой. Для описания состояния газа использована модель идеального газа. Численное исследование движения сжимаемого газа проведено c помощью Realizable k-ε модели турбулентности. Моделирование источника добавочного звука, создаваемого заслонкой, осуществлено прямым методом, основанным на учете изменения положения заслонки на каждом шаге по времени. Движение заслонки реализуется путем применения скользящей сетки, для этого вокруг заслонки создается сферический сегмент сетки, который вращается в ходе расчетов. Изучено влияние размеров заслонки и параметров входящей звуковой волны на работу системы активного шумоподавления двигателя внутреннего сгорания. Получены зависимости амплитуды колебаний статического и полного давлений на выходе из системы шумоподавления от амплитуды и радиуса колеблющейся заслонки. Проведены вычислительные эксперименты при различных значениях радиуса выхлопной трубы, а также исследована роль расширительной камеры, находящейся перед заслонкой. Расчеты показали, что предложенная система активного шумоподавления способна уменьшить уровень шума двигателя на 10 дБ, при этом с увеличением радиуса заслонки эффективность системы повышается. Однако в то же время растет и уровень аэродинамического сопротивления, которое система шумоподавления оказывает потоку газа, что может стать причиной снижения мощности двигателя.
Течение сжимаемого газа, численное моделирование, метод скользящих сеток, активное шумоподавление
Короткий адрес: https://sciup.org/143178058
IDR: 143178058 | УДК: 534.83 | DOI: 10.7242/1999-6691/2021.14.4.32
Numerical modeling of an active noise reduction system in the engine exhaust pipe
Numerical simulations of the exhaust pipe of the internal combustion engine with an active noise cancellation system are being reported. It is proposed to introduce an additional controlled sound source opposite in phase to the sound waves coming from the engine into the engine exhaust pipe. A round plate that performs rotational vibrations with a given frequency and amplitude is assumed to be the sound source. The ideal gas model is taken as an equation of state. The realizable k-ε turbulence model is applied to simulate the compressible gas flow. Using a direct method based on changing the position of the damper at each time step, the additional sound source created by the damper was modeled. The damper motion was realized within the framework of the sliding mesh approach. A spherical mesh segment capable of rotating during calculations was created. The influence of the plate size and the incoming sound wave parameters on the operation of the active noise cancellation system of an internal combustion engine was evaluated. The dependences of the amplitude of oscillations of static and total pressure at the output of the noise reduction system on the amplitude and radius of the oscillating damper were obtained. The simulations were conducted for various values of the exhaust radius, and the effect of the size of the expansion chamber in front of the oscillating damper was studied. The obtained results indicate that the proposed active noise cancellation system is able to reduce the engine noise level by 10 dB. It is shown that an increase in the plate radius leads to an increase in the efficiency of the noise suppression system. However ,at the same time, the level of aerodynamic resistance that the noise suppression system provides to the gas flow also increases, which can lead to a decrease in engine power characteristics.
Список литературы Численное моделирование выпускной трубы двигателя с системой активного шумоподавления
- Hirscberg A. Introduction to aeroacoustics and self-sustained oscillations of internal flows // Noise sources in turbulent shear flows: Fundamentals and applications / Ed. R. Camussi. Springer, 2013. P. 3-72. https://doi.org/10.1007/978-3-7091-1458-2_1
- Goldstein M.E. Aeroacoustics. McGraw-Hill, 1976. 293 p.
- Morfey C.L. Acoustic energy in non-uniform flow // J. Sound Vib. 1971. Vol. 14. P. 159-170. https://doi.org/10.1016/0022-460X(71)90381-6
- Иванов Н.И., Никифоров А.С. Основы виброакустики. СПб.: Политехника, 2000. 482 с.
- Vasiliev A.V. Membrane-spring damper of low-frequency gas dynamic pulsation // Proc. of the 4th International EAA/EEAA Symposium "Transport noise and vibration". Tallinn, Estonia, June 8-10, 1998. P. 43-46.
- Gerges S.N.Y., Jordan R., Thieme F.A., Bento Coelho J.L., Arenas J.P. Muffler modeling by transfer matrix method and experimental verification // J. Braz. Soc. Mech. Sci. & Eng. 2005. Vol. 27. P. 132-140. https://doi.org/10.1590/S1678-58782005000200005
- Wu C., Chen L., Ni J., Xu J. Modeling and experimental verification of a new muffler based on the theory of quarter-wavelength tube and the Helmholtz muffler // SpringerPlus. 2016. Vol. 5. 1366. https://doi.org/10.1186/s40064-016-3060-1
- Lueg P. US Patent No. 2,043,416, 9 June 1936.
- Vasiliev A.V. Compact active noise control units for automobile intake low-frequency noise attenuation // Proc. of the 1997 International Symposium on Active Control of Sound and Vibration. ACTIVE 97, Budapest, Hungary, August 21-23, 1997. P. 587-593.
- Elliott S. Active control of noise and vibration — State of the art and future prospects // Proc. of Nordic Acoustical Meeting. NAM'94, Aarhus, Denmark, June 6-8, 1994. P. 13-24
- Uchida H., Nakao N., Butsuen T. High Performance active noise control system for engine noise in a car cabin. SAE Paper No. 940608, SAE International, Warrendale, PA, 1994
- McDonald A.M., Elliott S.J., Stokers M.A. Active noise and vibration control within the automobile // Proc. of the Int. Symposium on Active Control of Sound and Vibration. Tokyo, Japan, April 9-11, 1991. P. 147-157.
- Elliott S.J., Stothers I.M., Nelson P.A., McDonald A.M. Quinn D.C., Saunders T. The active control of engine noise inside cars // Proc. of the Int. Congress on Noise Control Engineering. InterNoise'88, Avignon, France, 30 August-1 September, 1988. P. 987-990.
- Shih T.-H., Liou W.W., Shabbir A., Yang Z., Zhu J. A new k-ϵ eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows // Comput. Fluid. 1995. Vol. 24. P. 227-238. https://doi.org/10.1016/0045-7930(94)00032-T
- Kim S.-E., Choudhury D., Patel B. Computations of complex turbulent flows using the commercial code fluent // Modeling complex turbulent flows / Ed. M.D. Salas, J.N. Hefner, L. Sakell. Springer, 1999. P. 259-276. https://doi.org/10.1007/978-94-011-4724-8_15
- Toraño J., Torno S., Menéndez M., Gent M. Auxiliary ventilation in mining roadways driven with roadheaders: Validated CFD modelling of dust behavior // Tunn. Undergr. Sp. Technol. 2011. Vol. 26. P. 201-210. https://doi.org/10.1016/j.tust.2010.07.005
