Contribución al modelado acústico de la línea de escape en motores de combustión. Aplicación a silenciadores y catalizadores

Abstract

Valencia, Junio de 2010 TESIS DOCTORALContribución al modelado acústico de la línea de escape en motores de combustión.Aplicación a silenciadores y catalizadores. Esta Tesis Doctoral ha sido posible gracias al apoyo del Ministerio de Ciencia e Innovación y la cofinanciación de FEDER (proyecto DPI2007-62635). ResumenEsta Tesis se centra en el desarrollo e implementación de métodos eficaces para el diseño y modelado acústico de la línea de escape de motores de combustión, y en concreto, de dos de sus componentes más relevantes desde el punto de vista de control de emisiones sonoras, como son los silenciadores y los catalizadores.Por ello, se realiza una revisión bibliográfica de los modelos unidimensionales y la representación matricial asociada. También se lleva a cabo una revisión de la literatura existente en cuanto a la caracterización de elementos perforados, materiales absorbentes y monolitos. Las limitaciones y deficiencias encontradas en los modelos de onda plana evidencian la necesidad de disponer de herramientas de modelado multidimensional, válidas a altas frecuencias y para geometrías de silenciadores y catalizadores sin dimensiones predominantes.Se aplica el método de elementos finitos a la resolución de la ecuación de ondas convectiva, mediante la formulación en presión, en el interior de silenciadores con material absorbente. Se estudia detalladamente el acoplamiento entre subdominios conectados mediante elementos perforados en el interior del silenciador. También se analiza el efecto del flujo medio en la impedancia acústica, prestando especial atención a las diferentes condiciones a satisfacer por el campo acústico. Por ello, se aplican las condiciones de continuidad de velocidad y desplazamiento y se comparan los resultados proporcionados por ambas con medidas experimentales.La capacidad que posee el método de elementos finitos para abordar geometrías arbitrarias es el motivo por el que también se aplica dicho método en el modelado acústico de catalizadores comerciales de automoción. Para el modelado acústico del catalizador se recurre a dos metodologías: (1) el modelo 3D conductos/3D monolito, utilizado en la bibliografía, en el que la aplicación del método de elementos finitos implica el cálculo del campo acústico tridimensional en el catalizador completo, y (2) el modelo 3D conductos/1D monolito, propuesto en la Tesis, en el que se sustituye el monolito por una matriz de transferencia que asume una propagación unidimensional en su interior. Se comparan los resultados obtenidos mediante ambas metodologías con medidas experimentales, mostrando que la técnica propuesta da lugar a predicciones más ajustadas a la experimentación. Posteriormente, se extiende el modelo 3D conductos/1D monolito para incluir catalizadores con presencia de flujo medio en los i ii capilares.En respuesta al alto coste computacional asociado al método de elementos finitos se desarrollan herramientas analíticas tridimensionales de modelado mediante el método de ajuste modal. El desarrollo de dichas herramientas se basa en e...

Development of topology optimization techniques for noise pollution minimization in acoustic and fluid-structure problems

“…The amount of heat transmitted depends on the thermal conductivity of the fluid. Audible frequencies (20 Hz -20 kHz) have a wavelength λ that is too large, and a sufficiently low thermal conductivity to produce appreciable heat transfer, and the aforementioned process is hence considered adiabatic [17]. Along with the previous hypotheses, this leads to the process being considered isoentropic, satisfying:…”

“…γ being the adiabatic coefficient or ratio of specific heat capacities (at constant-pressure to constant volume) [17,18].…”

Advanced numerical techniques for the acoustic modelling of materials and noise control devices in the exhaust system of internal combustion engines

“…γ being the ratio between the specific heat capacity at constant pressure and the specific heat capacity at constant volume [14,30] • Small variations in the pressure, density and velocity functions of the particle are assumed. So, the problem can be linearized and a small acoustic amplitude is superposed to the pressure, the density and the average velocity, resulting in…”

“…The path followed by the air through a porous structure, when mean flow is considered, is generally defined by a tortuous path. If the flow is not turbulent, the air volume passing through the material is directly proportional to the difference of pressure that originates the flow [14].…”

“…The normal flow resistivity is larger than the planar flow resistivity. For a fibrous material, the resistivity depends, among others, on the porosity σ and dynamic viscosity µ [10,120], the size of the material fibres, their shape and orientation, as well as on the tortuosity q [14,28].…”