Desarrollo e implementación de una metodología de caracterización del comportamiento acústico de silenciadores reactivos y disipativos mediante Ansys Workbench

Abstract

[ES] Este Trabajo Fin de Máster se centra en el desarrollo e implementación de una metodología numérica detallada que permita simular y caracterizar el comportamiento acústico de silenciadores de escape de motores de combustión. Las tipologías consideradas abarcan tanto configuraciones puramente reactivas como disipativas, es decir, con material absorbente en su interior, pudiendo tener en cuenta además el efecto de la presencia de un conducto perforado. La metodología desarrollada tiene como base el método de elementos finitos (MEF), y el programa seleccionado para realizar las simulaciones acústicas es Ansys Workbench, concretamente la versión 19.0.

Ansys Workbench es un programa de elementos finitos muy potente y versátil que se ha desarrollado considerablemente durante los últimos años, añadiendo y mejorando diferentes módulos, como el correspondiente a la disciplina de acústica. Este software permite realizar las tres fases de un análisis (pre-procesado, procesado y post-procesado) dentro del mismo programa de manera sencilla y muy intuitiva, consiguiendo además unos resultados precisos.

Dentro del desarrollo de este trabajo, en primer lugar se exponen los fundamentos acústicos que conforman la base que da sustento a las actividades y tareas llevadas a cabo. Con este objetivo, se revisa la teoría acústica, la definición de silenciador desde un punto de vista acústico, las tipologías de silenciadores y los métodos tradicionales de análisis acústico, como el modelo de onda plana. También se desarrolla la teoría pertinente sobre la caracterización de materiales absorbentes y superficies perforadas, donde se resalta su importancia como agentes atenuadores de ruido y se definen sus propiedades más importantes. Una vez mostrada la teoría acústica necesaria, se desarrolla la formulación del problema acústico presentando las ecuaciones que describen la propagación acústica del sonido y su aplicación a los silenciadores. Además de la teoría acústica, se exponen los fundamentos del método de elementos finitos, en el cual está basado el software que se utilizará en este trabajo, y que servirá para resolver la ecuación de onda en el interior del silenciador.

Finalmente, se aplica el método de los elementos finitos para cuantificar y analizar la atenuación acústica de diferentes geometrías y configuraciones de silenciadores. Para ello, se procede a la utilización del software comentado. Este aspecto se trata con mucho nivel de detalle, con una exposición paso a paso de todo el proceso que permite describir de una manera precisa la metodología seguida en este trabajo. A raíz de la metodología desarrollada, se realiza un estudio de la influencia de ciertos parámetros de diseño, como la longitud de la cámara de expansión o el diámetro de la cámara, en la atenuación acústica para diversas geometrías. También se analiza el efecto de la presencia de material fonoabsorbente en la cámara de expansión, y el efecto del tubo perforado en el nivel de atenuación del silenciador.

Para dar validez al método desarrollado con el programa Ansys Workbench, se han comparado los resultados obtenidos por el método de los elementos finitos, con los valores del TL correspondientes a cada geometría, calculados de manera analítica a partir de diversos programas en Matlab y Mathcad implementados internamente en el departamento en varios proyectos de investigación previos. Además, se han comparado y validado los resultados obtenidos con una serie de mediciones experimentales del TL de algunas de las geometrías estudiadas. De esta manera, también se han podido observar las discrepancias de las medidas reales con el modelo acústico lineal. Esta validación experimental se ha llevado a cabo en uno de los bancos de ensayos construidos en el marco de varias tesis doctorales y proyectos investigación.