Diseño de una metodología precisa y eficiente para la modelización y mejora acústica de dispositivos postratamiento con dos monolitos

Abstract

[ES] En este Trabajo Fin de Máster se lleva a cabo el desarrollo e implementación de metodologías de simulación y optimización del comportamiento acústico de dispositivos postratamiento con dos monolitos en el sistema de escape de vehículos. Uno de ellos está asociado al catalizador y el otro al filtro de partículas, ambos habitualmente presentes en el sistema de escape de motores de combustión interna alternativos. Si bien este problema es susceptible de ser abordado mediante la combinación del método de elementos finitos (MEF) en su versión 3D más general con algoritmos de optimización, el coste computacional asociado puede llegar a ser prohibitivo dado que, dependiendo del número de grados de libertad del problema, las simulaciones pueden requerir días o incluso semanas. Uno de los motivos fundamentales es la necesidad de aplicar el algoritmo (iterativo) de optimización cientos o miles de veces, lo cual a su vez implica la resolución del problema mediante elementos finitos 3D en cada una de las iteraciones. Para evitar estos inconvenientes en un problema de interés para el grupo de investigación en el que se enmarca el TFM, se desarrollará e implementará una metodología eficiente, precisa y de bajo coste computacional, con el objetivo de obtener la máxima atenuación sonora de dispositivos postratamiento con dos monolitos en los rangos de frecuencia de interés, habitualmente aquellos en los que el motor emite mayores niveles de ruido. Para ello, además del MEF, se combinarán de forma adecuada tres técnicas detalladas a continuación: 1. Ajuste modal analítico-numérico para la caracterización acústica de dispositivos postratamiento. 2. Optimización mediante algoritmos basados en gradiente, más eficientes desde un punto de vista computacional pero con un mayor riesgo de converger a óptimos locales. 3. Optimización basada en algoritmos genéticos, con un coste computacional en ocasiones considerable pero con mayores posibilidades de proporcionar óptimos globales. La técnica de ajuste modal analítico-numérico será validada comparando los resultados obtenidos con ella frente a los resultados utilizando el MEF exclusivamente. Además, se llevará a cabo el estudio del efecto que tienen aspectos como la geometría del dispositivo, la presencia de hollín, la resistividad del catalizador, etc. en el comportamiento acústico del dispositivo postratamiento. Seguidamente, mediante una adecuada integración de las tres técnicas descritas anteriormente, se obtendrá como resultado final una herramienta computacional con la que se llevará a cabo un estudio detallado para determinar los parámetros óptimos de diseño desde un punto de visto acústico. En relación a este proceso de optimización, se consideran como variables de diseño las longitudes de las cámaras, la resistividad y porosidad del catalizador, el tipo de filtro antipartículas, la presencia de hollín, etc. en función del intervalo de frecuencias de interés.

[EN] In this Master Thesis the development and implementation of simulation and optimisation methodologies of the acoustic behaviour of aftertreatment devices with two monoliths in the exhaust system of vehicles is carried out. One of them is associated with the catalytic converter and the other with the particulate filter, both of which are usually present in the exhaust system of reciprocating internal combustion engines. Although this problem can be tackled by combining the finite element method (FEM) in its most general 3D version with optimisation algorithms, the associated computational cost can be prohibitive since, depending on the number of degrees of freedom of the problem, simulations can take days or even weeks. One of the fundamental reasons is the need to apply the (iterative) optimisation algorithm hundreds or thousands of times, which in turn implies solving the problem using 3D finite elements for each iteration. To avoid these drawbacks in a problem of interest to the research group in which the TFM is framed, an efficient, accurate and low computational cost methodology will be developed and implemented, with the aim of obtaining the maximum sound attenuation of after-treatment devices with two monoliths in the frequency ranges of interest, usually those in which the engine emits higher levels of noise. For this purpose, in addition to the FEM, three techniques detailed below will be combined in an appropriate way: 1. Analytical-numerical mode matching technique for the acoustic characterisation of after-treatment devices. 2. Optimisation using gradient-based algorithms, more efficient from a computational point of view but with a higher risk of converging to local optima. 3. Optimisation based on genetic algorithms, with a sometimes considerable computational cost but with greater possibilities of providing global optima. The analytical-numerical mode matching technique will be validated by comparing the results obtained with it against the results using the FEM alone. In addition, the effect of aspects such as device geometry, soot presence, catalyst resistivity, etc. on the acoustic behaviour of the post-treatment device will be studied. Then, by means of a suitable integration of the three techniques described above, a computational tool will be obtained as a final result, with which a detailed study will be carried out to determine the optimal design parameters from an acoustic point of view. In relation to this optimisation process, the design variables considered are the length of the chambers, the resistivity and porosity of the catalyst, the type of particulate filter, the presence of soot, etc. depending on the frequency range of interest.

[CA] En aquest Treball Fi de Màster es duu a terme el desenvolupament i implementació de metodologies de simulació i optimització del comportament acústic de dispositius posttractament amb dos monòlits al sistema d'escapament de vehicles. Un d'ells està associat al catalitzador i l'altre al filtre de partícules, tots dos habitualment presents al sistema d'escapament de motors de combustió interna alternatius. Si bé aquest problema és susceptible de ser abordat mitjançant la combinació del mètode d'elements finits (MEF) en la seua versió 3D més general amb algorismes d'optimització, el cost computacional associat pot arribar a ser prohibitiu atès que, depenent del nombre de graus de llibertat del problema, les simulacions poden requerir dies o fins i tot setmanes. Un dels motius fonamentals és la necessitat d'aplicar l'algorisme (iteratiu) d'optimització centenars o milers de vegades, la qual cosa implica la resolució del problema mitjançant elements finits 3D en cadascuna de les iteracions. Per evitar aquests inconvenients en un problema d'interès per al grup de recerca en què s'emmarca el TFM, es desenvoluparà i implementarà una metodologia eficient, precisa i de baix cost computacional, amb l'objectiu d'obtenir la màxima atenuació sonora de dispositius posttractament amb dos monòlits en els rangs de freqüència d'interès, habitualment aquells en què el motor emet més nivells de soroll. Per això, a més del MEF, es combinaran de forma adequada tres tècniques detallades a continuació: 1. Ajustament modal analític-numèric per a la caracterització acústica de dispositius posttractament. 2. Optimització mitjançant algorismes basats en gradient, més eficients des d'un punt de vista computacional però amb més risc de convergir a òptims locals. 3. Optimització basada en algorismes genètics, amb un cost computacional a vegades considerable però amb més possibilitats de proporcionar òptims globals. La tècnica d'ajustament modal analític-numèric serà validada comparant els resultats obtinguts amb aquesta en comparació als resultats utilitzant el MEF exclusivament. A més, es durà a terme l'estudi de l'efecte que tenen aspectes com la geometria del dispositiu, la presència de sutge, la resistivitat del catalitzador, etc. en el comportament acústic del dispositiu posttractament. Seguidament, mitjançant una integració adequada de les tres tècniques descrites anteriorment, s'obtindrà com a resultat final una eina computacional amb la qual es durà a terme un estudi detallat per determinar els paràmetres òptims de disseny des d'un punt de vista acústic. En relació amb aquest procés d'optimització, es consideren com a variables de disseny les longituds de les càmeres, la resistivitat i la porositat del catalitzador, el tipus de filtre antipartícules, la presència de sutge, etc. segons l'interval de freqüències d'interès.