吳大轉(zhuǎn)，陳一偉，苗天丞，許偉偉，杜 韜

(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，杭州 310027)

安裝管路消聲器是降低排氣管路上游噪聲的有效手段。管路消聲器性能評(píng)價(jià)主要采用3項(xiàng)指標(biāo)，即：聲學(xué)性能、空氣動(dòng)力性能、結(jié)構(gòu)性能[1]。消聲器空氣動(dòng)力性能反映了消聲器對(duì)氣流阻力的大小，通常用消聲器入口和出口的壓差來(lái)表示；消聲器的消聲性能，即消聲器的消聲量，通常用傳遞損失和插入損失來(lái)表示；消聲器的結(jié)構(gòu)性能則是消聲器安裝尺寸、機(jī)械強(qiáng)度、使用壽命、造型等方面的結(jié)構(gòu)特性。消聲器聲學(xué)性能中的的傳遞損失只與結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，而不受源特性和尾管輻射特性的影響[2]，是消聲器聲學(xué)性能研究中最常用的指標(biāo)。上世紀(jì)60年代，美國(guó)Young 等[3]使用有限元法計(jì)算了二維擴(kuò)張室消聲器的傳遞損失，80年代國(guó)內(nèi)對(duì)有限元的研究開(kāi)始起步，王耀前等[4]用ANSYS 軟件對(duì)抗性消聲器傳遞損失進(jìn)行計(jì)算，在低頻范圍內(nèi)能夠獲得較高的計(jì)算精度，但對(duì)高頻的分析出現(xiàn)了較大偏差。葛蘊(yùn)珊等[5]用SYSNOISE軟件對(duì)直通穿孔管消聲器等消聲器典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲學(xué)性能分析，得到了較滿意的結(jié)果。消聲器的各項(xiàng)指標(biāo)性能既相互聯(lián)系又相互制約，隨著消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷增強(qiáng)，特別是氣液兩相輸送等使用條件的特殊化，按照以往的經(jīng)驗(yàn)或少量簡(jiǎn)單的計(jì)算公式來(lái)進(jìn)行消聲器設(shè)計(jì)，已經(jīng)不能滿足消聲器的設(shè)計(jì)要求。為了分析消聲器在多種使用條件下的消聲性能，提高對(duì)氣液兩相介質(zhì)的適應(yīng)能力，本文對(duì)消聲器的消聲性能和流體動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，研究氣液兩相介質(zhì)對(duì)消聲器性能的影響,同時(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)物模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)緊湊管路空間內(nèi)的消聲器設(shè)計(jì)以及氣液兩相輸送條件下的消聲性能評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)價(jià)值。

1 數(shù)值模擬方法

消聲器的聲學(xué)性能應(yīng)從消聲量和消聲頻帶兩個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)，通常用傳遞損失LTL、插入損失LIL來(lái)衡量[6]。流體動(dòng)力學(xué)性能主要通過(guò)壓降損失評(píng)價(jià)。本文的數(shù)值模擬主要通過(guò)SYSNOISE軟件計(jì)算消聲器的傳遞損失，采用Fluent軟件計(jì)算消聲器內(nèi)部流動(dòng)和阻力損失。

傳遞損失LTL，也稱(chēng)為傳聲損失或透射損失，定義為消聲器入射聲功率級(jí)與出口透射聲功率級(jí)的差值。傳遞損失是消聲器研究中評(píng)價(jià)消聲性能最常用的指標(biāo)。當(dāng)進(jìn)出口管道內(nèi)滿足平面波條件時(shí)，消聲器的傳遞損失可表示為

其中:Win，Pin，Sin分別是消聲器進(jìn)口處的入射聲功率、入射聲壓和進(jìn)口面積，Wout，Pout，Sout分別是消聲器出口處的透射聲功率、透射聲壓以及出口面積。

由于出口端為無(wú)反射的聲能全吸收端，故而出口處只有透射聲壓Pout，沒(méi)有反射聲壓，而在進(jìn)口處同時(shí)存在入射聲壓Pii和反射聲壓Pir。因此在計(jì)算傳遞損失時(shí)需要?jiǎng)冸x入射端反射波聲壓的影響，從而得到消聲器傳遞損失的計(jì)算公式

(2)

其中:ρ0，c0，vin分別為介質(zhì)密度、介質(zhì)中聲速以及消聲器入口處的質(zhì)點(diǎn)振速。計(jì)算或者測(cè)試得到入口和出口聲壓，即可計(jì)算得到該消聲器的傳遞損失。

本文利用聲振分析軟件SYNOISE軟件的有限元模塊對(duì)消聲器進(jìn)行了模擬，對(duì)消聲器內(nèi)聲波方程離散求解，計(jì)算消聲器內(nèi)部各點(diǎn)聲壓，得到進(jìn)口入射聲壓值和出口透射聲壓值，然后利用SYSNOISE后處理的公式編輯器進(jìn)行傳遞損失的計(jì)算。

2 消聲器的結(jié)構(gòu)及計(jì)算模型及邊界條件

圖1 消聲器的結(jié)構(gòu)二維視圖

圖2 穿孔管固定卡環(huán)

針對(duì)緊湊的管路空間，為了減少流體的阻力和增大隔聲效果，設(shè)計(jì)了穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)如圖1所示。排氣管直徑為46 mm，穿孔管通徑為24 mm，管壁采用全穿孔[8]，開(kāi)孔率為12.1%，開(kāi)孔直徑為2 mm，孔間距為5 mm，穿孔管厚度為1 mm，穿孔管通過(guò)4個(gè)卡環(huán)固定于排氣管內(nèi)，卡環(huán)沿周向設(shè)有4個(gè)φ3 mm通孔供流體流通，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在模擬分析中，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量，增加模擬分析的準(zhǔn)確性，在建立聲學(xué)有限元網(wǎng)格的時(shí)候，忽略了這些小孔，而在穿孔板兩邊的網(wǎng)格之間通過(guò)定義一種傳遞導(dǎo)納[9]關(guān)系，間接模擬這些小孔，計(jì)算流域的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖3。

圖3 消聲器的網(wǎng)格模型

傳遞損失計(jì)算的邊界條件包括：

(1)入口邊界條件：在模型進(jìn)口處施加1 m/s的單位振速邊界;

(2)出口邊界條件：出口處為消除反射聲波而施以全吸聲邊界;

(3)壁面邊界條件：消聲器內(nèi)壁不考慮壁面吸收，默認(rèn)為介質(zhì)法向振速為零的剛性壁面，阻抗率趨于無(wú)窮大。

消聲器內(nèi)部流動(dòng)計(jì)算的邊界條件包括：

(1)入口邊界條件：入口采用速度邊界條件，入口速度為 50 m/s；

(2)出口邊界條件：出口采用壓力邊界條件，設(shè)置出口壓力為101.325 kPa；

(3)壁面邊界條件：壁面無(wú)滑移。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 消聲器流阻計(jì)算及分析

對(duì)圖1所示結(jié)構(gòu)的排氣消聲器在額定工況下進(jìn)行了流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。用四面體將模型網(wǎng)格化，生成仿真計(jì)算模型，消聲器入口設(shè)為速度進(jìn)口，出口設(shè)為壓力出口，設(shè)定足夠的迭代計(jì)算次數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算得到的速度云圖如圖4。相應(yīng)的進(jìn)口速度為50m/s，進(jìn)出口總壓差為101 519.771 Pa。

圖4 消聲器速度云圖

由圖4可知，流體主要從消聲器內(nèi)腔通過(guò)，外腔的速度較低，而在出口處，出口管中心速度最大，約為200 m/s，從而使得出口壓力較小。消聲器的壓力損失主要由內(nèi)腔流阻和局部阻力損失造成，主要包括氣流在消聲器外腔內(nèi)不斷收縮和擴(kuò)張，以及腔體內(nèi)由于高速氣流與低速氣流的沖擊和氣流與璧面撞擊。

氣流在50 m/s的高速流動(dòng)狀態(tài)下，消聲器出入口總壓相差僅為0.1 Mpa，而大部分排氣管路中氣體流速低于該速度，因此該消聲器的流動(dòng)損失滿足大部分排氣管路的動(dòng)力學(xué)要求。

3.2 消聲器傳遞損失的模擬分析

圖5是氣相輸送條件下的消聲器的傳遞損失曲線。

圖5所示的傳遞損失曲線很清楚地表示出該消聲器結(jié)構(gòu)對(duì)3 000～5 000 Hz和0～1 000 Hz范圍內(nèi)的頻率有較好的消聲效果。圖6為將冷卻水介質(zhì)考慮為內(nèi)管壁的消聲器傳遞損失曲線，圖7為將冷卻水與空氣的混合物考慮為均勻介質(zhì)的傳遞損失曲線。

其中，圖6所示的傳遞損失曲線是考慮到實(shí)際中冷卻水的流量為1.14 kg/s并將其考慮成1 mm內(nèi)管壁厚。由模擬結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的阻抗結(jié)合式消聲器對(duì)高頻有較好的消聲效果且消聲范圍較廣。在冷卻水附著在內(nèi)管壁的情況下，消聲器在0～2 000 Hz范圍內(nèi)的消聲性能有了顯著的提高，在4 000～10 000 Hz也有一定程度的提升，但在2 000～4 000 Hz范圍內(nèi)消聲器的消聲性能相對(duì)純空氣介質(zhì)有所下降；在冷卻水與空氣均勻混合的情況下，消聲器對(duì)低頻的消聲效果有所下降，而在5 000 Hz以上的頻率范圍消聲器則表現(xiàn)出較好的消聲性能。從模擬分析的結(jié)果可以得出：均勻混入的液體使排氣消聲器降噪的頻率往高頻移動(dòng)；滯留在壁面的液體使消聲器低頻和高頻的降噪效果提升。

圖5 介質(zhì)為空氣時(shí)消聲器傳遞損失

圖6 將冷卻水考慮為管壁的傳遞損失

圖7 將氣液混合物考慮為均勻介質(zhì)的傳遞損失

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要測(cè)試了消聲器的插入損失，插入損失反映的是整個(gè)系統(tǒng)(包括消聲器、管路系統(tǒng)以及噪聲源)在裝置消聲器前后聲學(xué)性能的總體變化，而不是消聲器單獨(dú)具有的屬性。由于插入損失相對(duì)比較容易測(cè)量，并且能反映安裝消聲器后的綜合消聲效果，因此本次實(shí)驗(yàn)中采用測(cè)量插入損失的大小來(lái)驗(yàn)證消聲器的消聲性能，其裝置示意圖如圖8所示。

圖8 測(cè)試示意圖

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由排氣管路、阻抗結(jié)合式消聲器、兩個(gè)功率分別為4 W和8 W的外放喇叭聲源及聲源信號(hào)數(shù)據(jù)采集分析儀組成。將一段排氣管路置于空氣中，實(shí)驗(yàn)中采用白噪聲為聲源并置于排氣管路的一端，分別測(cè)量原排氣管路和加阻抗結(jié)合式消聲器后管路排氣口的聲壓值。圖9圖10分別為白噪聲強(qiáng)度為90 dB和80 dB時(shí)排氣管路出口的聲壓值。該試驗(yàn)主要對(duì)2 000 Hz以上頻段的消聲效果進(jìn)行了測(cè)試。從圖中可以看出，該阻抗結(jié)合式消聲器對(duì)2 000 Hz以上的噪聲則消聲效果非常明顯，較直觀地反映出消聲器內(nèi)部各點(diǎn)聲壓隨頻率變化的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。

圖9 白噪聲幅值90 dB時(shí)出口聲壓

圖10 白噪聲幅值80 dB時(shí)出口聲壓

針對(duì)氣液混合的實(shí)際情況，本文搭建了如圖11所示的實(shí)驗(yàn)裝置，主要包括空氣壓縮機(jī)、穩(wěn)壓氣罐、節(jié)流閥、穩(wěn)壓閥、聲級(jí)計(jì)、流量計(jì)、聲壓信號(hào)采集器及氣液混合裝置，液體流入量由閥門(mén)和水表簡(jiǎn)易控制。在排氣量為200 m3/h，排水量為0.8 m3/h的實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)得排氣管路內(nèi)安裝消聲器前后的聲壓值如圖12所示。其中氣液混合裝置內(nèi)部是由多孔材料構(gòu)成，其目的是讓冷卻水在排氣過(guò)程中與氣體均勻混合形成氣液均勻混合介質(zhì)。

圖11 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖12 氣液混合排氣時(shí)出口聲壓

圖13 氣液混合排氣時(shí)的插入損失

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在1kHz以上頻率的排氣噪聲均具有5db及以上降噪效果，而高頻6kHz及以上相對(duì)中低頻有所降低，這與模擬分析時(shí)存生一定偏差。究其原因可能是因?yàn)樵谙暺髀晫W(xué)特性預(yù)測(cè)上，存在著高次波影響和一維聲波理論的計(jì)算公式在高頻區(qū)計(jì)算不準(zhǔn)確的缺陷[10]。同時(shí)，氣流通過(guò)穿孔式消聲器產(chǎn)生的高頻再生噪聲也影響了實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的精度。

5 結(jié) 論

利用三維有限元理論，建立實(shí)際消聲器的物理模型，利用Sysnoise軟件和Fluent軟件分別對(duì)消聲器的聲學(xué)性能和流體動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)計(jì)了滿足管路消聲需求的緊湊型阻抗結(jié)合消聲器，分析了氣相和氣液兩相輸送條件下的消聲性能，通過(guò)研究可以得到以下結(jié)論：

(1)本文采用的管路排氣消聲器數(shù)值模擬方法在定性上與試驗(yàn)結(jié)果取得了較好的一致；

(2)相比單一氣體輸送條件，均勻混合的氣液兩相介質(zhì)對(duì)消聲器性能的影響主要體現(xiàn)在消聲頻率的改變，使主要消聲頻率明顯提高，并且中高頻消聲性能下降；在液體依附于管路內(nèi)壁的工作條件，消聲器的低頻消聲效果得到了明顯的提高;

(3)下一步工作重點(diǎn)在于提高高頻段消聲效果的模擬精度，并且針對(duì)管路內(nèi)氣液兩相流動(dòng)與消聲器的相互作用機(jī)理進(jìn)行深入地研究。

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