Modelado y análisis de la influencia del gradiente de temperatura en silenciadores de escape disipativos mediante elementos finitos

Abstract

[EN] This Master Thesis is focused on the development and implementation of a numerical methodology, based on the finite element method, which allows the characterization and simulation of the acoustic behaviour of dissipative exhaust silencers that include absorbent materials in the presence of high temperature and thermal gradients. In addition, the influence of several parameters on the acoustic attenuation is assessed, such as the variation of the chamber length and the relevant properties of perforated surfaces. The work is organized as follows. First the acoustic fundamentals are presented with the basic concepts used in this study. For this reason, the acoustic theory is reviewed, as well as the silencer definition from an acoustical point of view. Also, details are given about the silencer typologies and the traditional methods for their acoustic analysis, such as plane wave models. Furthermore, a bibliography review related to the characterization of absorbent materials and perforated surfaces is made. The importance as noise attenuators is highlighted and their most important properties and features are defined. Next, the formulation of the acoustic problem is developed presenting the governing equations describing the acoustic sound propagation and its application to the silencer. Thereupon, the fundamentals of the finite element method are described for solving the wave equation inside silencers with absorbent material and the numerical technique is applied to different geometries of silencers. Finally, the importance of the following parameters on the acoustic attenuation is analysed: chamber length, perforated surface parameters (e.g. pososity), average temperature and thermal gradient. In the silencers analysed in the current investigation, it is considered that the flow resistivity of the absorbent material changes due to the presence of axial temperature gradients. These changes in resistivity, in turn, cause modifications in the equivalent acoustic properties of the absorbent material (sound propagation speed and air density).To perform these simulations, some commercial packages are used such as Ansys, Sysnoise, Comsol Multiphysics and also in-house codes developed in the department using Matlab. The in-house codes are used to simulate the effect of temperature using a continuous model. Some auxiliary codes developed in collaboration with the research group are also considered. Through the developed tools, the finite element method is applied to different silencer geometries, making a detailed study about the influence of the temperature on the silencer acoustic attenuation. A study is also carried out to assess the influence of the chamber length and the perforated tube on the acoustic attenuation of different geometries. Moreover, the validity of the segmented model for the acoustic computation is studied. The research group has a wide experience in the modelling and experimental characterization of the acoustic behaviour of the exhaust system in internal combustion engines. Over the past decades, an exhaustive work has been done related to the development, implementation and validation of computational tools based on the finite element method to consider more complex cases, as for instance: the presence of high temperatures, temperature gradients and mean flow. Besides, Sysnoise software has been used for validation tasks. This programme did not work autonomously, but it required the external definition of geometry and mesh, previously done in another programme (e.g. Ansys). It also required external data, file transfer and format conversion, making the associated work toilsome. For this reason, the research group has recently acquired the commercial software Comsol Multiphysics as acoustic modelling and simulation tool (in addition, Sysnoise has become obsolete). This Master Thesis makes a comparison of the two programmes in order to validate the Comsol Multiphysics efficiency as an alternative to Sysnoise.

[ES] Este Trabajo Fin de Máster se centra en el desarrollo e implementación de una metodología numérica, basada en el método de elementos finitos, que permite la caracterización y simulación del comportamiento acústico de silenciadores de escape disipativos que incorporan material absorbente en su interior en presencia de variaciones de temperatura. Además, se analiza el efecto que produce en la atenuación sonora la variación de la longitud en la cámara de expansión, las superficies perforadas y, como se ha indicado anteriormente, el gradiente de temperatura axial. Este trabajo está organizado de manera que en primer lugar se realiza una exposición de los fundamentos acústicos, explicando los conceptos básicos que se utilizan a lo largo del documento. Para ello se revisa la teoría acústica, la definición de silenciador desde un punto de vista acústico, las tipologías de silenciadores y los métodos tradicionales de análisis acústico, como los modelos de onda plana. También se realiza una revisión de la bibliografía existente en cuanto a la caracterización de materiales absorbentes y superficies perforadas donde se resalta su importancia como agentes atenuadores de ruido y se definen sus propiedades y propiedades más importantes. Seguidamente se desarrolla la formulación del problema acústico presentando las ecuaciones que describen la propagación acústica del sonido y su aplicación a los silenciadores. A continuación se describen los fundamentos del método de elementos finitos para la resolución de la ecuación de onda en el interior de silenciadores con material absorbente y se aplica a diferentes geometrías de silenciadores. Finalmente, se utiliza software comercial para analizar, mediante la definición detallada de una metodología numérica adecuada, la importancia en la atenuación acústica de los siguientes parámetros: longitud de cámara, superficie perforada, resistividad, temperatura media y gradiente de temperaturas. En los silenciadores que se analizan en este trabajo se considera que el material absorbente cambia su resistividad al flujo como consecuencia de la presencia de gradientes de temperatura axiales. Estas modificaciones de la resistividad a su vez originan cambios en las propiedades acústicas equivalentes del material absorbente (velocidad de propagación del sonido y densidad del aire). Para poder llevar a cabo esta simulación se utilizan programas comerciales tales como Ansys, Sysnoise, Comsol Multiphysics y un programa propio del departamento elaborado con Matlab para simular el efecto de temperatura utilizando un modelo no segmentado, así como códigos propios auxiliares desarrollados en colaboración con el personal del grupo de investigación. Con las herramientas desarrolladas, se aplica el método de elementos finitos a diferentes geometrías de silenciadores haciendo un estudio exhaustivo de la influencia de la temperatura en la atenuación acústica para diversas geometrías de silenciador. También se realiza un estudio de la influencia de la longitud de cámara de expansión y el efecto del tubo perforado en la atenuación acústica para diversas geometrías del silenciador. Además, se estudia la validez del modelo segmentado para la obtención de la atenuación acústica. El grupo de investigación en el que se enmarca el presente Trabajo Fin de Máster tiene una amplia experiencia en el modelado y caracterización experimental del comportamiento acústico del sistema de escape en motores de combustión interna alternativos. En las últimas décadas, se ha llevado a cabo un trabajo exhaustivo en relación al desarrollo, implementación y validación de herramientas computacionales basadas en soluciones analíticas tridimensionales de la ecuación de ondas para reducir el coste computacional en herramientas generales basadas en elementos finitos para considerar casos más complejos, como por ejemplo la presencia de altas temperaturas, gradientes térmicos y flujo medio. Además, se ha utilizado el software Sysnoise para tareas de comprobación y validación. Este programa no funciona de manera autónoma sino que necesita la definición de la geometría y el mallado realizado previamente en otro programa externo (Ansys), así como la lectura de datos y de resultados, la transferencia de ficheros y la conversión de formatos, lo que hace farragoso el trabajo asociado. Por esto, el grupo investigador ha adquirido recientemente el programa Comsol Multiphysics como programa de simulación y modelado acústico debido a que el programa Sysnoise ha quedado obsoleto. En este Trabajo Fin de Máster también se hace una comparación de ambos programas con el objetivo de validar la eficacia del programa Comsol Multiphysics como alternativa a Sysnoise.

[CA] Aquest Treball Fi de Màster se centra en el desenvolupament i implementació d’una metodologia basada en el mètode d’elements finits que permet la caracterització i simulació del comportament acústic de silenciadors d’escapament dissipatius que incorporen material absorbent a l’interior. A més a més, es considera la presència de material absorbent quan s’analitza l’efecte que produeix en l’atenuació sonora la variació de la longitud en la càmera d’expansió, les superfícies perforades i el gradient de temperatura axial. Aquest treball està organitzat de manera que, en primer lloc, es realitza una exposició dels fonaments acústics, explicant els conceptes bàsics que s’utilitzaran al llarg del treball. Per a això, es revisa la teoria acústica, la definició de silenciador, les tipologies de silenciadors i els mètodes tradicionals d’anàlisi acústic, com els models d’ona plana. També es realitza una revisió de la bibliografia existent quant a la caracterització de materials absorbents i superfícies perforades on es ressalta la importància com a agents atenuadors de soroll i es defineixen les propietats i característiques més importants. Tot seguit, es desenvolupa la formulació del problema acústic presentant les equacions que descriuen la propagació acústica del so i l’aplicació d’aquestes als silenciadors. A continuació es descriuen els fonaments acústics del mètode d’elements finits per a la resolució de l’equació d’ona a l’interior de silenciadors amb material absorbent i s’aplica a diferents geometries de silenciadors. Finalment s’analitza la importància en l’atenuació acústica dels següents paràmetres: longitud de càmera, superfícies perforada, resistivitat, temperatura mitjana i gradient de temperatures. En els silenciadors que s’analitzen en aquest treball es considera que el material absorbent canvia la seua resistivitat al fluix com a conseqüència de la presència de gradients de temperatura axials. Aquestes modificacions de la resistivitat originen, alhora, canvis en les propietats acústiques equivalents del material absorbent (velocitat de propagació del so i densitat de l’aire). Per poder dur a terme aquesta simulació s’utilitzen programes comercials com Ansys, Sysnoise, Comsol Multiphysics i un programa propi del departamento elaborat sobre Matlab per a simular l’efecte de temperatura utilitzant un model no segmentat, així com codis propis auxiliars desenvolupats amb la col·laboració del personal del grup d’investigació. Amb les ferramentes desenvolupades s’aplica el mètode d’elements finits a diferents geometries de silenciadors, fent un estudi exhaustiu de la influència de la temperatura en l’atenuació acústica per a diverses geometries de silenciador. També s’aprofita per tal de realitzar un estudi de la influència de la longitud de càmera d’expansió i l’efecte del tub perforat en l’atenuació acústica per a diverses geometries del silenciador. A més, s’estudia la validesa del model segmentat per a la simulació de l’atenuació acústica. El grup d’investigació en el qual s’emmarca el present Treball Fi de Màster té una àmplia experiència en el modelatge i caracterització experimental del comportament acústic del sistema d’escapament en motors de combustió interna alternatius. En les últimes dècades, s’ha dut a terme un treball exhaustiu en relació al desenvolupament, implementació i validació de les ferramentes computacionals basades en elements finits per a considerar casos més complexos, com puga ser la presència d’altes temperatures, gradients tèrmics i fluix mitjà. A més, s’ha utilitzat el software Sysnoise per a tasques de comprovació. Aquest programa no funciona de manera autònoma sinó que necessita la definició de la geometria i el mallat realitzat prèviament en un altre programa (Ansys), així com la lectura de dades i de resultats, la transferència de fitxers i la conversió de formats, cosa que fa tediós el treball associat. Per això, el grup investigador ha adquirit recentment el programa Comsol Multiphysics com a programa de simulació i modelatge acústic degut a que el programa Sysnoise ha quedat obsolet. En aquest Treball Fi de Màster es fa una comparació d’ambdós programes amb l’objectiu de validar l’eficàcia del programa Comsol Multiphysics com a alternativa a l’obsolet Sysnoise.