Desarrollo e implementación en Comsol de una metodología completa de modelado y simulación acústica de silenciadores disipativos de vehículos con superficies perforadas, microperforadas y sinterizadas

Abstract

[EN] The main objective of this Master Thesis is to develop and implement a methodology based on finite element and analytical solutions that allow the characterization and simulation of the acoustic behaviour of vehicle exhaust silencers and other devices of the exhaust system in internal combustion engines. Apart from geometric characteristics existing within the muffler (such as sub-chambers, resonators, extended ducts, etc.), in this the work we will consider the presence of absorbent materials, micro and perforated surfaces, as well as sintered metal surfaces, whose use has proved potentially interesting in recent studies.

Over the past two decades, researchers from the Department of Mechanical Engineering and Materials have worked extensively in the development of in-house codes (analytical and numerical) for simulating acoustic silencers. In addition, we have used the commercial program Sysnoise in order to check the tasks. This program does not work autonomously, and requires external mesh generation (Ansys), a series of read tasks (data and results), file transfer and format conversion, making the associated work particularly tedious. In addition, it has become obsolete since its joining to LMS Virtual.Lab has resulted in the elimination of updates. This has motivated the research group has recently acquired the commercial program called Comsol Multiphysics. This Master Thesis aims to evaluate this new tool as acoustic simulation software and modeling alternative to Sysnoise.

First of all, a literature review will be carried out; here there is a description of the basics concepts that will be used throughout the development of this work. With this objective in mind, the acoustic theory will be reviewed and an explanation of silencers and their types will be given.

Hereafter, the acoustic problem will be developed. For this purpose the governing equations of the sound propagation will be presented, as well as their application to silencers and the procedure for the formulation of the finite element method applied to the wave equation.

Then, the finite element method will be applied to different mufflers geometries, through the use of commercial packages such as Sysnoise and Comsol Multiphysics, which will be used as a support to make the calculations.

Finally, and as a conclusion of this research, a full analysis of the transmission loss coefficient and the influence of the silencer design parameters, such as porosity, number of chambers and metal particle size will be carried out.

[ES] El principal objetivo de este Trabajo de Fin de Máster es desarrollar e implementar una metodología basada en elementos finitos que permita la caracterización y simulación del comportamiento acústico de silenciadores de escape de vehículos y otros dispositivos integrantes de la línea de escape. Además de las particularidades geométricas existentes en el interior del silenciador (tales como subcámaras, resonadores, conductos extendidos, etc.), se pretende considerar la presencia de materiales absorbentes, superficies perforadas y microperforadas, así como superficies metálicas sinterizadas, cuya utilización se ha revelado potencialmente interesante en estudios recientes.

Durante las últimas dos décadas, los investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica y de Materiales han trabajado de forma exhaustiva en el desarrollo de software propio (analítico y numérico) para la simulación acústica de silenciadores. Además, se ha utilizado el programa comercial Sysnoise para tareas de validación. Dicho programa no funciona de manera autónoma, y requiere la generación externa de malla (Ansys) y una serie de operaciones de lectura de datos y resultados, transferencia de ficheros y conversión de formatos que hacen especialmente tedioso el trabajo asociado. Además, ha quedado obsoleto ya que su incorporación a LMS Virtual.Lab ha dado lugar a la eliminación de actualizaciones, motivo por el cual el grupo investigador ha adquirido recientemente el programa comercial Comsol Multiphysics. Este Trabajo Fin de Máster pretende evaluar dicha herramienta novedosa y ponerla a punto como programa de simulación y modelado acústico alternativo a Sysnoise.

En primer lugar, se llevará a cabo una revisión de fundamentos, explicando los conceptos básicos que se utilizarán a lo largo del desarrollo de este trabajo. Con este objetivo se revisará la teoría acústica y se explicará qué es un silenciador y qué tipologías existen.

A continuación, se desarrollará la formulación del problema acústico. Con este fin se presentarán las ecuaciones que gobiernan la propagación acústica del sonido, su aplicación a los silenciadores y el procedimiento a seguir para aplicar la formulación del método de los elementos finitos para la ecuación de ondas que rige la propagación acústica de los silenciadores.

Seguidamente, se aplicará del método de los elementos finitos a diferentes geometrías de silenciadores. Para ello se utilizará como apoyo el software informático comentado: Sysnoise y Comsol Multiphysics.

Finalmente, se analizará la influencia en la atenuación acústica de parámetros de diseño tales como: la porosidad, el número de cámaras y el tamaño de partícula metálica para diversas geometrías

[CA] El principal objectiu d'aquest Treball de Fi de Màster és desenvolupar i implementar una metodologia basada en elements finits que permeti la caracterització i simulació del comportament acústic de silenciadors d'escape de vehicles i altres dispositius integrants de la línia d'escape. A més de les particularitats geomètriques existents a l'interior del silenciador (com ara subcàmeres, ressonadors, conductes estesos, etc.), es pretén considerar la presència de materials absorbents, superfícies perforades i microperforades, així com superfícies metàl·liques sinteritzades, la utilització s'ha revelat potencialment interessant en estudis recents.

Durant les últimes dues dècades, els investigadors del Departament d'Enginyeria Mecànica i de Materials han treballat de forma exhaustiva en el desenvolupament de software propi (analític i numèric) per a la simulació acústica de silenciadors. A més, s'ha utilitzat el programa comercial Sysnoise per a tasques de validació. Aquest programa no funciona de manera autònoma, i requereix la generació externa de malla (Ansys) i una sèrie d'operacions de lectura de dades i resultats, transferència de fitxers i conversió de formats que fan especialment tediós el treball associat. A més, ha quedat obsolet ja que la seva incorporació a LMS Virtual.Lab ha donat lloc a l'eliminació d'actualitzacions, motiu pel qual el grup investigador ha adquirit recentment el programa comercial COMSOL Multiphysics. Aquest Treball Fi de Màster pretén avaluar aquesta nova ferramenta i posar-la a punt com a programa de simulació i modelatge acústic alternatiu a Sysnoise.

En primer lloc, es realitzarà una revisió de coneixements, explicant els conceptes base que s’utilitzaran al llarg del desenvolupament d’aquest treball. Amb aquest objectiu, es revisarà la teoria acústica i s’explicarà què és un silenciador i què tipologies existeixen.

A continuació, es desenvoluparà la formulació del problema acústic, amb aquest fi es presentaran les equacions que governen la propagació acústica del so, la seva aplicació als silenciadors i el procediment a executar per a realitzar la formulació del mètode dels elements finits per a l’equació de ones que regeix la propagació acústica dels silenciadors.

Seguidament, s’aplicarà el mètode dels elements finits a diferents geometries de silenciadors, per a açò s’utilitzarà com a suport el software informàtic comentat: Sysnoise y Comsol Multiphysics.

Finalment, i com a conclusió, s’analitzarà la influència en l’atenuació acústica de paràmetres de disseny tals com: porositat, nombre de càmeres i la grandària de partícula metàl·lica per a diverses geometries.