Desarrollo e implementación de herramientas numéricas basadas en Ansys para la simulación acústica de dispositivos de control de ruido en vehículos. Aplicación a silenciadores de escape reactivos

Abstract

[EN] The present postgraduate dissertation carries out the parametrization of silencers in different shapes and sizes w ith the aim of speeding up the work and the analysis of their acoustic behaviour . Finite element p rograms such as Ansys APDL allow us to carry out tests that are very accurate and powerful and are commonly used in companies . However, the lack of a suitable graphical interface involves a tedious work with the possibility of making errors that will cause an increase in the calculation times and therefore reduce the quantity of the possible analysis to be carr ied out. Fortunately , Ansys APDL allows to import m acros which can parameterize these silencers, so that, once the macros are carried out, it will only be necessary to change the value of the geometries and to call the function. The research group to which this Master’s Thesis belongs has a wide experience in the modeling and experimental characterization of the acoustic behavior of the exhaust system of internal combustion engines. In the past few decades, exhaustive work has been carried out in relation to the development, implementation and validation of computational tools based on three - dimensional analytical solutions of the wave equation to reduce the computational cost, although th e validity of this approach is only possible with relatively simple configurations from a geometrical perspective [1 - 6]. In order to eliminate these geometrical limitations, the research group has also devoted special attention to the development of general tools based on the finite element method to consider more complex cases, for example, the presence of high temperatures , thermal gradients and mean flow [7 - 9] . Given the high computational cost of the numerical techniques such as the Finite Element Method [10] , it is important to develop analytical and numerical hybrid models which would reduce the aforementioned computati onal effort in the study of complex cases [11,12] . While the acoustic attenuation is determined largely by the mufflers of the exhaust line, other devices such as catalysts and particulate filters also have a significant influence. For this reason, models and tools have been developed for proper acoustic characterization of such devices in previous years [13 - 15] . UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE VALÈNCIA D EPARTAMENTO DE I NGENIERÍA M ECÁNICA Y DE M ATERIALES M ÁSTER EN I NGENIERÍA M ECÁNICA 10 Firstly, this thesis will briefly expand on acoustic theory and the more relevant variables. Also, the application of acoustic theory to determine the acoustic attenuation of the silencers, the types of silencers and their performance . Furthermore, this thesis will provide some information related to the acoustic propagation phenomenon in circular pipes and the behavior of the transversal modes in t he silencers. Later, we will continue with the operation of the program Ansys APDL, including a brief description in order to know how this program works and a tutorial to explain the operation of one of the macros carried out in this thesis and also how t hey have been implemented. The study and analysis of the attenuation curves of different silencers and for a number of geometries will be place d in a specific section together with the analysis of the cutoff frequency and the comparative of results obtain ed in Ansys with those obtained by Math c ad. However, it has not been possible to carry out this comparison for all types of silencers. On the other hand, in the case of the simple c hamber , it has been possible to calculate the frequencies of maximum TL and pass band s . With the aim to be more consistent with our results, the geometry of each silencer has been checked by means of the program Comsol Multiphysics. Previously a small introduction to the program will be presented and the procedures used to calcul ate the attenuation of a silencer with Comsol Multiphysics will be discussed . Finally, some general conclusions of the work will be presented and the possible applications in the future will be briefly described . Key words: finite elements, acoustic, react ive silencers, Ansys, parametric language.

[ES] Se pretende utilizar el programa comercial Ansys y el potencial de su lenguaje paramétrico de programación para desarrollar e implementar una metodología basada en elementos finitos que permita la simulación del comportamiento acústico de dispositivos de la línea de escape de vehículos. El trabajo se centrará en silenciadores reactivos multicámara e incluirá la posibilidad de considerar gradientes térmicos. 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 muy reducido, aspecto de gran importancia cuando se pretende optimizar las prestaciones en bandas de frecuencia concretas. De esta manera, las herramientas desarrolladas permitirán la realización de un estudio exhaustivo de la influencia en la atenuación acústica de parámetros geométricos de diseño y también del efecto de la temperatura. Como se ha indicado, los desarrollos serán susceptibles de ser orientados la optimización de prestaciones.

[CA] En primer lloc, en aquest treball s'exposarà breument la teoria acústica i un breu estudi sobre les seves variables. També l'aplicació de la teoria acústica per a conèixer els índexs d'atenuació acústica dels silenciadors, els tipus de sil enciadors i el seu funcionament. A més, una explicació de ls fenòmens de propagació acústica en conduct es circulars i el comportament dels modes transversals als silenciadors. Més endavant continuarem amb el funcionament del programa Ansys APDL. Una breu de scripció per a conèixer aquest programa i un tutorial per a explicar el funcionament d'una de les macros realitzades en aquest treball i com s'han implementat. El modelat i anàlisi de l'atenuació dels distints silenciadors i per a les distintes geometries es situarà en un apartat propi junt amb l'anàlisi de la freqüència de tall i la comparativa dels resultats obtinguts en Ansys amb els obtinguts mitjançant Math c ad. No obstant, no s'ha pogut realitzar aquesta comparativa per a tots els silenciadors. D'altra banda, per al cas de la càmera simple s'ha pogut calcular les freqüències de màxim TL i de bandes de pas. Amb l'objectiu de ser més consistents amb els nostres resultats, s'ha comprovat una geometria de cada silenciador mitjançant el programa Comsol Multi physics. Prèviament es farà una petita introducció al programa i als seus procediments utilitzats per a calcular l'atenuació de l silenciador amb Comsol Multiphysics . Per últim , s'exposar an unes conclusions generals sobre el treball i les possibles futures aplicacions. P araules clau s : elements finits, acústica, silenciador s reacti u s, control de soroll , Ansys, l lengua tg e paramétric.