Desarrollo e implementación de técnicas modales y numéricas para la caracterización acústica de silenciadores de escape híbridos. Validación experimental en un banco de ensayos

Abstract

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[ES] Este Proyecto Final de Carrera tiene por objeto estudiar el comportamiento acústico de silenciadores de motores de combustión interna alternativos de vehículos mediante técnicas analíticas y el método de elementos finitos. Se lleva a cabo el desarrollo e implementación de herramientas analíticas con base modal así como numéricas basadas en elementos finitos para el modelado y cálculo tridimensional del comportamiento acústico de silenciadores de escape. Se consideran geometrías circulares y elípticas de tipo híbrido, es decir, que combinan cámaras reactivas vacías y cámaras con material absorbente en su interior. Se pone de manifiesto que el tipo de silenciador modelado y analizado permite mejorar las prestaciones de reducción de ruido a bajas y medias frecuencias y mantiene un buen nivel de atenuación a altas frecuencias. El procedimiento de modelado desarrollado ha sido convenientemente validado en un banco de ensayos acústicos. Se ha llevado a cabo un estudio detallado de las prestaciones del silenciador así como un análisis paramétrico que incluye los elementos más relevantes del diseño. El cálculo y simulación de las diferentes configuraciones modelizadas se realizará tanto mediante un programa informático de elementos finitos como mediante medidas experimentales, estudiando al mismo tiempo la relación y similitud de resultados existentes entre ambos métodos. La justificación del desarrollo e implementación de programas de diseño en base a técnicas analíticas viene dada por el considerable ahorro en tiempo de cálculo y de memoria. Se han desarrollado e implementado técnicas analíticas simples (modelos de onda plana), que son aplicables a fases de prediseño, y técnicas analíticas multidimensionales, cuya precisión es comparable a la de elementos finitos, con un coste computacional mucho menor. Los inconvenientes de estas últimas viene dada fundamentalmente por el tipo de geometrías que permiten estudiar, que han de ser de tipo circular o elíptico. Afortunadamente, estas geometrías se utilizan frecuentemente. De esta manera, se analizan silenciadores con geometrías no excesivamente complejas, pero que combinadas con el material absorbente se pueden llegar a conseguir prestaciones de atenuación considerables. En lo que se refiere a elementos finitos, se utiliza esta técnica mediante dos programas comerciales disponibles, Ansys y Sysnoise. La ventaja de los métodos numéricos es que permiten tratar geometrías arbitrarias con condiciones de contorno complejas. En este proyecto, el método de los elementos finitos permite validar y contrastar las técnicas analíticas propuestas, así como el cálculo de algunos silenciadores más complicados, que no pueden tratar de forma sencilla con las técnicas mencionadas. En general, los mallados utilizados son bidimensionales axisimétricos, y en ocasiones tridimensionales. En cuanto a la finalidad concreta de los programas de elementos finitos mencionados, Ansys permite la generación de la malla (preproceso), y con Sysnoise se calculan los campos de presiones y velocidades, que son el objetivo fundamental, pues a partir de ellos se obtienen los índices fundamentales de atenuación sonora. Para justificar la aplicación de los modelos considerados en casos reales de diseño, algunos de los resultados obtenidos se comparan con medidas experimentales, mostrando una buena concordancia.