Desarrollo de metodologías computacionales para la modelización integral del comportamiento acústico de sistemas de escape con silenciadores y dispositivos postratamiento

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 integral de sistemas de escape de motores de combustión con silenciadores y dispositivos postratamiento. En concreto se considerará un sistema que incorpora catalizador y filtro antipartículas, así como dos silenciadores, uno de ellos de tipo reactivo y otro con características disipativas debido a la presencia de material absorbente en su interior. La metodología a desarrollar tendrá como base el método de elementos finitos (MEF), y los programas seleccionados para realizar las simulaciones acústicas serán Ansys APDL y Matlab. Gracias a la posibilidad de utilizar lenguaje paramétrico, se implementarán subrutinas de cálculo para multitud de configuraciones y se podrá obtener la atenuación acústica de éstas con un coste computacional reducido, aspecto de gran importancia cuando se pretende llevar a cabo la optimización de las prestaciones en bandas de frecuencia concretas.

En lo que se refiere a los dispositivos postratamiento, tales como catalizadores y filtros antipartículas, tienen un impacto acústico considerable desde el punto de vista del control de las emisiones sonoras y deben ser tenidos en cuenta en el diseño integral de la línea de escape de motores de combustión. Los modelos a implementar deben permitir el acoplamiento de regiones de aire mediante monolitos cerámicos formados por tubos capilares que tienen características acústicas disipativas. Por otro lado, en lo que a silenciadores se refiere, se tendrá en cuenta la presencia de dos dispositivos, uno de tipo reactivo (sin material absorbente) y otro con características disipativas que serán adecuadamente modelizadas en base al MEF.

Mediante una adecuada integración de los modelos acústicos de los distintos dispositivos indicados anteriormente, se obtendrá como resultado final una herramienta computacional con la que se llevará a cabo un estudio detallado para determinar la influencia de variables de diseño relevantes en las prestaciones acústicas del sistema de escape.

Por último, se combinarán los códigos de cálculo implementados en Ansys con algoritmos de optimización de tipo bayesiano implementados en Matlab para maximizar la atenuación acústica en determinados rangos de frecuencia de interés.

[EN] This Master Thesis focuses on the development and implementation of a detailed numerical methodology to simulate and characterise the integral acoustic behaviour of combustion engine exhaust systems with silencers and after-treatment devices. Specifically, a system will be considered that incorporates a catalyst and a particulate filter, as well as two silencers, one of them of the reactive type and the other with dissipative characteristics due to the presence of absorbent material in its interior. The methodology to be developed will be based on the finite element method (FEM), and the programmes selected to carry out the acoustic simulations will be Ansys APDL and Matlab. Thanks to the possibility of using the parametric language, calculation subroutines will be implemented for a multitude of configurations and it will be possible to obtain the acoustic attenuation of these with a reduced computational cost, an aspect of great importance when optimising performance in specific frequency bands.

As far as after-treatment devices such as catalytic converters and particulate filters are concerned, they have a considerable acoustic impact from the point of view of noise emission control and must be taken into account in the overall design of the exhaust line of combustion engines. The models to be implemented must allow for the coupling of air regions by means of ceramic monoliths formed by capillary tubes that have acoustically dissipative characteristics. On the other hand, as far as silencers are concerned, the presence of two devices will be taken into account, one of a reactive type (without absorbing material) and the other with dissipative characteristics that will be suitably modelled on the basis of the FEM.

By means of a suitable integration of the acoustic models of the different devices indicated above, a computational tool will be obtained as a final result, with which a detailed study will be carried out to determine the influence of relevant design variables on the acoustic performance of the exhaust system.

Finally, the computational codes implemented in Ansys will be combined with Bayesian optimisation algorithms implemented in Matlab to maximise the acoustic attenuation in certain frequency ranges of interest.