Modelización y análisis del comportamiento acústico de silenciadores disipativos en presencia de altas temperaturas y gradientes térmicos con Ansys Workbench y APDL

Abstract

[ES] Este Trabajo Fin de Máster se centra en el desarrollo de una metodología numérica completa para la modelización y análisis del comportamiento acústico de silenciadores disipativos en presencia de altas temperaturas y gradientes térmicos. Además, por su importancia en la práctica, se tiene en cuenta el efecto en la atenuación sonora de la presencia de un conducto perforado dentro del silenciador. Los programas utilizados para el desarrollo del trabajo son Ansys Workbench y Ansys Parametric Design Language (APDL), basados en el método de elementos finitos. Como parte del desarrollo de este trabajo, en el segundo capítulo se presentan los fundamentos teóricos para entender la ciencia detrás de los silenciadores, de manera muy concisa se exponen temas relacionados con las propiedades del medio de propagación y las características fundamentales de las ondas cuya modelización es de interés en el marco del presente trabajo. También se hace hincapié en aspectos relevantes de la propagación de ondas, materiales fonoabsorbentes y conductos perforados, terminando el capítulo con una breve teoría acerca de los silenciadores disipativos y sus partes. En el tercer capítulo se presentan los aspectos relevantes con relación al diseño de cada uno de los silenciadores que se van a modelizar mediante los programas comerciales, con el fin de establecer claramente las condiciones geométricas, dimensionales, etc. al momento de la creación tanto de las macros en APDL como del diseño en 3D en Ansys Workbench. En el capítulo cuatro se presenta la implementación en las dos versiones de Ansys, para lo cual se explican detalladamente las macros desarrolladas correspondientes a APDL, con el fin de abarcar una infinidad de casos tanto presentes como futuros, mientras que en Ansys Workbench se explica el desarrollo para el correcto modelado de los silenciadores y condiciones de contorno. Posteriormente, para ambos programas se ejecutan los respectivos cálculos basados en el método de elementos finitos (MEF). Una vez definida por completo la metodología a seguir en dichos programas, en el capítulo cinco se procede a estudiar de forma exhaustiva multitud de configuraciones de diseño. Se presentan los casos de estudio considerados y sus respectivos resultados luego de cada simulación. Además, se analizan en detalle los resultados obtenidos para establecer directrices básicas de cálculo y diseño que permitan encontrar la mejor pérdida de transmisión entre las distintas variantes presentadas en el capítulo cinco. Finalmente se llega al sexto capítulo en donde se presentan las conclusiones más relevantes.

[EN] This Master's Thesis focuses on the development of a complete numerical methodology for the modelling and analysis of the acoustic behavior of dissipative silencers in the presence of high temperature and thermal gradients. Furthermore, due to its importance in practice, the effect on sound attenuation of the presence of a perforated duct inside the silencer is considered. The programs used for the development of the work are Ansys Workbench and Ansys Parametric Design Language (APDL), based on the finite element method. As part of the development of this work, in the second chapter the theoretical foundations to understand the science behind silencers are presented, together with a description in a very concise way of topics related to the properties of the propagation medium and the fundamental characteristics of the waves whose modelling is of interest within the framework of this work. Relevant aspects of wave propagation, sound absorbing materials and perforated ducts are also emphasized, the chapter being concluded with a brief theory about dissipative silencers and their parts. The third chapter presents the relevant aspects in relation to the design of each of the silencers to be modelled by commercial programs, in order to clearly establish the geometric and dimensional conditions, etc. at the time of creating both the macros in APDL and the 3D design in Ansys Workbench. In chapter four the implementation in the two versions of Ansys is presented, for which the macros developed corresponding to APDL are explained in detail, in order to cover an infinity of cases both present and future, while in Ansys Workbench the development is explained for the correct modelling of silencers and boundary conditions. Subsequently, for both programs the respective calculations based on the finite element method (FEM) are executed. Once the methodology to be followed in these programs has been completely defined, in chapter five we proceed to study in an exhaustive manner several design configurations. The case studies considered, and their respective results are presented after each simulation. In addition, the results obtained are analyzed in detail to establish basic calculation and design guidelines that allow finding the best transmission loss among the different variants presented in chapter five. Finally, the sixth chapter is reached where the most relevant conclusions are presented.