بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای دیزلی یکی از مهمترین نیروده ها در کاربری های مختلف نظیر خودرویی، دریایی، مولد توان و غیره هستند. صداهای تولیدی این موتورها زمینه ساز مشکلات فراوانی هستند. این صداها به شکل های مختلفی تولید، منتقل و منتشر می گردند و برای هر یک از این موارد راهی جهت کنترل صدای خروجی پیشنهاد شده است.
از آنجا که یکی از مهمترین منابع انتشار صدا در موتورها سامانه ی تخلیه دود آنها است، لذا در کار حاضر به منظور کنترل صدای خروجی از این سامانه برای موتور OM457LA ، با استفاده از شبیهسازی پدیده های احتراق، سامانه ی تبادل گاز، انتقال حرارت و صدای خروجی از سامانه ی تخلیه ی دود به صورت یکپارچه در نرمافزار GT-SUITE و صحهگذاری نتایج شبیهسازی با نتایج تجربی، یک انباره مناسب این موتور طراحی گردید. این انباره از نوع غیر فعال سه محفظهای با مقطع دایره است، که با استفاده از روش تحلیل حساسیت مقادیر بهینه پارامترهای طراحی آن به دست آمد.
نتایج حاکی از این است که می توان صدای کلی خروجی از سامانه ی تخلیه دود موتور مورد نظر را با کمتر از 1 درصد افت توان، از حالت پایه 114 دسیبل در سرعت موتور 1800 دور بر دقیقه، با دو انباره پیشنهادی کوچک و بزرگ، به ترتیب تا 92,8 و 87,5 دسیبل پایین آورد. همچنین در دیگر سرعت ها نیز کاهش چشمگیری در صدای خروجی از موتور حاصل می گردد.
مقدمه
صدای تولیدی موتور یکی از منابع اصلی آلودگی صوتی در محیط محسوب می شود. لذا با توجه به کاربری های مختلف، راهکارهای مختلفی برای کاهش و یا کنترل صدای تولیدی آنها پیشنهاد شده است. سامانه تخلیه دود یکی از راه های مهم خروج صدای موتور به محیط است، لذا در طراحی این سامانه باید به این موضوع توجه شود که تا حد امکان صدای خروجی کاهش یابد. به همین دلیل است که معمولاً یک انباره - صداخفه کن - 1 در مسیر خروجی گازها، برای این سامانه در نظر گرفته می شود، تا بتوان صدای تولیدی ناشی از نوسانات فشار که به سبب ماهیت نوسانی کارکرد موتورهای رفت و برگشتی و ترتیب احتراق در آن ها به وجود می آید و از طریق سامانه تخلیه منتشر می شود را کاهش داد.
به منظور طراحی انباره ی مناسب برای یک موتور، علاوه بر بررسی میزان کاهش صدا، باید اثر انباره بر کارکرد موتور نیز مد نظر قرار گیرد. در این راستا میلو و همکاران [2] در سال 2008 با استفاده از روش طراحی آزمایش، به بهینه سازی ابعاد داخلی یک انباره پرداختند. هدف این بهینه سازی کاهش بیشتر صدای خروجی موتور همراه با کمترین مقادیر ممکن برای فشار برگشتی و حجم اشغال شده توسط انباره بوده است.[2] بررسی این موارد از راه های تجربی میتواند بسیار پرهزینه و زمانبر باشد، لذا با استفاده از شبیهسازی انباره میتوان با صرف هزینه و زمان کمتر به این مسائل پرداخت.
در همین راستا مورل و همکاران [3] در سال 1999 با توسعه ابزاری جهت شبیه سازی متصل موتور و انباره بر اساس راه حل یک بعدی دینامیک سیالاتی و معرفی ابزاری گرافیکی برای نرم افزار GT-Suite امکان شبیهسازی محیط پیچیده داخل انباره و اتصال آن به مدل موتور را فراهم کردند. آنها با مقایسه نتایج مربوط به پیشبینی میزان اصوات توسط این ابزار شبیه سازی و نتایج تجربی، مطابقت قابل قبول آنها را گزارش کردند. [3] وان و همکاران [4] در سال 2004 به وسیله نرم افزار GT-Suite به تحلیل یک انباره با همنواگر2 دو درجه آزادی پرداختند.
در این مقاله ذکر شده است از آن جا که شبیه سازی یک بعدی است، اثر فاصله ی عمقی دو لوله همنواگرها نمی تواند دیده شود و در واقع دو لوله در ادامه هم و هم مرکز فرض می شوند که باعث ایجاد خطا در پیش بینی بسامد تشدید دوم ناشی از همنواگر دوم می گردد. هم چنین بهدلیل در نظر نگرفتن نسبت قطر به طول لوله های متصل کننده ی همنواگرها این مورد نیز باعث ایجاد خطا می گردد.
محی الدین و همکاران [5] در سال 2007 با استفاده از شبیه سازی سه بعدی در نرم افزار FLUENT و به یاری نرم افزار MATLAB به بررسی الگوی جریان در یک انباره و میزان کاهش صدای آن پرداختند.
مونتنگرو و همکاران [6] در سال 2008 با مقایسه رویکردهای مختلف جهت شبیهسازی سامانه تخلیه موتور که شامل انباره نیز می شود، به دنبال یافتن راهی از بین شبیه سازی سه بعدی و یک بعدی بودند تا ضمن کاهش زمان محاسباتی، دقت قابل قبولی داشته باشد. لذا برای شبیه سازی یک انباره که هندسه پیچیده ای دارد یک روش ترکیبی یک بعدی-سه بعدی پیشنهاد شد تا این نیاز را برآورده سازد. بدین ترتیب برای محل هایی که پیچیدگی هندسی وجود ندارد از شبیه سازی یکبعدی و در بقیه موارد از شبیه سازی سه بعدی استفاده می شود.
برای دست یافتن به چنین سازوکاری مؤلفین دو کد سه بعدی OpenFOAM و یک بعدی GASDYN را به هم متصل کردند و مشاهده کردند که بدین ترتیب یک مصالحه ی خوب بین سرعت و دقت به دست خواهد آمد.[6] در همین سال لیرونگ و همکاران [7] با استفاده از نرم افزار Fluent به شبیهسازی سهبعدی جریان در یک انباره پرداختند. این پژوهش به خوبی وضعیت جریان در داخل انباره را روشن میکند و سازوکار تولید صدای جریان داخلی آن را بیان میکند. این مؤلفان نقش لوله های سوراخ دار در تولید صدای ناشی از اغتشاش جریان را روشن کردند و با در نظر گرفتن یک ماده جاذب در ناحیه سوراخ دار لوله ورودی با کاهش اغتشاش جریان، میزان صدای تولیدی را کاهش دادند
در سال 2009 فانگ و همکاران [8] با شبیه سازی سه بعدی به بررسی افت فشار در انباره یک موتور پرداخته اند، آنها اهمیت این موضوع را بالا رفتن مصرف سوخت در صورت افت فشار زیاد در انباره دانسته اند. لذا برای یک سرعت ثابت جریان هوای ورودی به انباره، نقش هر یک از اجزا در افت فشار را بررسی کردند. به نظر میرسد لولهی سوراخدار سهم زیادی از افت فشار را به خود اختصاص میدهد. سپس با تغییر سرعت جریان هوای ورودی به انباره میزان تغییرات افت فشار را مطالعه کردند که مبین افزایش افت فشار با افزایش این سرعت بود.
یاسودا و همکاران [9] در سال 2010 به صورت تجربی و از طریق شبیهسازی به بررسی سر و صدای موتور در انتهای سامانه ی تخلیه پرداختند. بدین منظور آنها با شبیهسازی یک بعدی مسیر خروجی و انباره رفتار صوتی موتور در حالت گذرا را برای سرعت های مختلف بررسی کردند. این محققین نشان دادند که شبیه سازی یک بعدی برای پیش بینی سطح فشار اصوات با بسامد مرتبه دوم سرعت موتور دقت قابل قبولی دارند.
آنها همچنین اثر دمای گازهای خروجی و نحوه محاسبه دمای دیواره لوله خروجی بر دقت پیش بینی میزان صدای خروجی مورد را بررسی قرار دارند که نشان دهنده ی اهمیت بالای این موضوع بود.[9] در سال 2013 اوزدمیر و همکاران [10] با شبیه سازی سه بعدی یک انباره با سه محفظه به بررسی اثر حجم هر محفظه بر فشار برگشتی پرداختند. کوچک کردن حجم کلی انباره امری بسیار مهم و نیاز صنعت است. از طرف دیگر مشهور است که با افزایش طول انباره اثر کاهش صدای آن بیشتر میگردد، لذا باید یک حجم بهینه جهت برآورده کردن نیاز کاهش صدا و کمترین فشار برگشتی ممکن که در عین حال نیاز کوچک سازی را نیز پاسخ دهد، پیدا شود، مبنای کار این پژوهشگران همین امر بود و آنها با تغییر طول هر محفظه متوجه شدند که کاهش حجم محفظه وسط که ناحیه سوراخ دار لوله های ورودی و خروجی در آن است باعث افزایش فشار برگشتی می شود. این امر ناشی از کاهش جریان متقاطع هوا از این ناحیه است. اما کاهش طول محفظه پشتی اثر کمتری بر کاهش صدای تولیدی دارد.
در همین سال پانگاوهانه و همکاران [11] با استفاده از شبیه سازیهای سه بعدی میدان جریان، تأثیر تغییر ابعاد لوله سامانه تخلیه دود را بر مقدار فشار برگشتی بررسی کردند. نتایج تحلیل نشان دادند که افزایش قطر لوله سامانه تخلیه دود و تخلخل انباره، مقدارفشار برگشتی را تا 75 درصد کاهش دهد. آنها همچنین با بررسی اثر قطر سوراخهای لوله انباره، مشاهده کردند با افزایش این قطر می توان تا 40 درصد کاهش فشار برگشتی داشت
در سال 2014 پاندار و همکاران [12] به وسیله نرمافزار Fluent به شبیهسازی سهبعدی انباره پرداختند. آنها با در نظر گرفتن دو حالت برای یک انباره که در یکی سر لوله های سوراخ دار ورودی و خروجی بسته و در دیگری باز بود به تحلیل جریان و افت فشار در آنها پرداختند و نشان دادند افت فشار و کاهش صدا برای حالتی که لوله ها در پوش داشتند بیشتر بوده است.[12] در همین سال حسین پور و ذهنی
صدا و جریان گازهای خروجی یک موتور سه لیتری را به کمک نرم افزار FLUENT شبیه سازی و صحه گذاری کردند. سپس، با استفاده از نرم افزار GT-POWER قطر لوله سامانه گازهای خروجی را با هدف افزایش توان موتور بهینه کردند. آنها ادعا کردند که شکل انباره بیضوی در حالتی که لولههای ورودی و خروجی در یک راستا نباشند می تواند به عنوان مورد بهینه کمینه فشار برگشتی و صدای خروجی در نظر گرفته شود
در سال 2015 چن و همکاران [14] با طراحی یک سامانه یکپارچه شامل انباره و 1SCR سعی به بهینهسازی آن جهت کاهش صدا و کارکرد بهینه کاتالیزور و موتور دریایی داشتند. در این راه آن ها از نرم افزار یک بعدی AVL-Boost به همراه روش دینامیک سیالات محاسباتی سه بعدی بهره جستند. نتایج آن ها حاکی از کارکرد بهتر سامانهی یکپارچه هم از نظر کاهش صدا، هم از نظر کاهش آلایندهها و هم از نظر حداقل بودن افت فشار نسبت به انباره و کاتالیزور مجزا است.
با وجود کارهای فوق، از آنجا که با اعمال هر تغییر در مجموعه موتور و سامانه های مختلف آن نظیر سامانه ی پرخوران، تبادل گاز و انباره، این اجزا در تعامل با هم منجر به تغییرات عملکردی، صوتی و آلایندگی موتور می گردند، لذا به نظر می رسد لازم است این موارد از طریق شبیهسازی یکپارچه موتور مورد بررسی قرار گیرند. در کار حاظر برای طراحی یک انباره مناسب موتور OM457LA ،اثر تغییر پارامترهای طراحی انباره بر صدا و توان خروجی موتور به صورت همزمان و در سرعت های مختلف موتور با استفاده از شبیه سازی یکپارچه احتراق، پرخوران، تبادل گاز و انباره مورد بررسی قرار گرفته است. این کار با استفاده از نرم افزار یک بعدی GT-Suite انجام و نتایج این شبیه سازی با اطلاعات تجربی صحه گذاری شده است تا با اطمینان از دقت نتایج بتوان از طریق تحلیل حساسیت، اثر تغییر پارامترهای طراحی انباره را مورد بررسی قرار داد و در انتها برای موتور مورد نظر محدوده ی مطلوب این پارامترها معین شده است و از این طریق صدای خروجی موتور با افت توان اندک موتور، به طور چشمگیری کاهش یافت.
معادلات حاکم
کدهای یک بعدی موج-فعال2 قادراند هم عملکرد موتور و هم رفتار صوتی آن را پیش بینی کنند. در سال های اخیر کدهای تجاری و اختصاصی زیادی بدین منظور توسعه یافتهاند که هم از نظر مشخصات و هم دقت نتایج مشابه یکدیگر هستند. لذا چیزی که باعث تمایز آن ها می شود راحتی در استفاده، امکان اتصال به کدهای دیگر، قیمت مجوز استفاده و .... است. از جمله این کدهای تجاری میتوان به GT-Suite محصول Gamma Technologies اشاره کرد. این کد دارای یک محیط گرافیکی جهت شبیه سازی کل اجزای موتور و اتصال آنها شامل لولهها و سیلندرها است و معادلات جریان را از روش های عددی حجم محدود حل می کند. مقایسه نتایج این کد با نتایج تجربی حاکی از مطابقت خوب آن با نتایج تجربی است.
مدل پیشبینی صدا علم به پروقیل سرعت در داخل مقطع لوله های تخلیه یا مکش این امکان را میدهد که بتوان امواج فشاری را در هر نقطه از خارج آن پیش بینی کرد.[15] مناسب ترین روش هم از نظر دقت و هم از نظر زمان محاسباتی، روش دینامیک سیالات محاسباتی یک بعدی است که در این پژوهش نیز از آن استفاده شده است. این مدل ممکن است برای سرعت های بالای موتور میزان صدا را کمتر از مقدار واقعی آن پیش بینی کند. زیرا در این حالت صدای تولیدی ناشی از اغتشاش جریان و ورود جریان مغشوش به محیط نیز به صدای موتور اضافه می شود که در این مدل در نظر گرفته نشده است، چرا که این مدل تنها صدای ناشی از تغییرات چرخه ای فشار حاصل جریان متناوب دود خروجی از موتور و در واقع ماهیت چرخه ای کارکرد موتورهای رفت و برگشتی را پیش بینی می کند.[2] روش مورد استفاده در این پژوهش برای پیش بینی میزان صدای سامانهی تخلیه در خروجی آن با استفاده از سرعت جریان و با استفاده از رابطه - 1 - به پیشبینی میزان صدا می پردازد. بدین ترتیب فشار صوتی در محیط خارج لوله، یا به بیان دیگر میزان صدای منتشر شده از سامانهی تخلیه به دست میآید.
