管路排氣消聲器性能的數值模擬與實驗驗證

吳大轉，陳一偉，苗天丞，許偉偉，杜 韜

(浙江大學 化工機械研究所，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。管路消聲器性能評價主要采用3項指標，即：聲學性能、空氣動力性能、結構性能[1]。消聲器空氣動力性能反映了消聲器對氣流阻力的大小，通常用消聲器入口和出口的壓差來表示；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表示；消聲器的結構性能則是消聲器安裝尺寸、機械強度、使用壽命、造型等方面的結構特性。消聲器聲學性能中的的傳遞損失只與結構本身有關，而不受源特性和尾管輻射特性的影響[2]，是消聲器聲學性能研究中最常用的指標。上世紀60年代，美國Young 等[3]使用有限元法計算了二維擴張室消聲器的傳遞損失，80年代國內對有限元的研究開始起步，王耀前等[4]用ANSYS 軟件對抗性消聲器傳遞損失進行計算，在低頻范圍內能夠獲得較高的計算精度，但對高頻的分析出現了較大偏差。葛蘊珊等[5]用SYSNOISE軟件對直通穿孔管消聲器等消聲器典型結構進行了聲學性能分析，得到了較滿意的結果。消聲器的各項指標性能既相互聯系又相互制約，隨著消聲器結構設計的復雜性不斷增強，特別是氣液兩相輸送等使用條件的特殊化，按照以往的經驗或少量簡單的計算公式來進行消聲器設計，已經不能滿足消聲器的設計要求。為了分析消聲器在多種使用條件下的消聲性能，提高對氣液兩相介質的適應能力，本文對消聲器的消聲性能和流體動力學性能進行數值模擬，研究氣液兩相介質對消聲器性能的影響,同時設計了實物模型進行試驗驗證。對緊湊管路空間內的消聲器設計以及氣液兩相輸送條件下的消聲性能評價具有指導價值。

1 數值模擬方法

消聲器的聲學性能應從消聲量和消聲頻帶兩個方面來評價，通常用傳遞損失LTL、插入損失LIL來衡量[6]。流體動力學性能主要通過壓降損失評價。本文的數值模擬主要通過SYSNOISE軟件計算消聲器的傳遞損失，采用Fluent軟件計算消聲器內部流動和阻力損失。

傳遞損失LTL，也稱為傳聲損失或透射損失，定義為消聲器入射聲功率級與出口透射聲功率級的差值。傳遞損失是消聲器研究中評價消聲性能最常用的指標。當進出口管道內滿足平面波條件時，消聲器的傳遞損失可表示為

其中:Win，Pin，Sin分別是消聲器進口處的入射聲功率、入射聲壓和進口面積，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。

由于出口端為無反射的聲能全吸收端，故而出口處只有透射聲壓Pout，沒有反射聲壓，而在進口處同時存在入射聲壓Pii和反射聲壓Pir。因此在計算傳遞損失時需要剝離入射端反射波聲壓的影響，從而得到消聲器傳遞損失的計算公式

(2)

其中:ρ0，c0，vin分別為介質密度、介質中聲速以及消聲器入口處的質點振速。計算或者測試得到入口和出口聲壓，即可計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消聲器進行了模擬，對消聲器內聲波方程離散求解，計算消聲器內部各點聲壓，得到進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行傳遞損失的計算。

2 消聲器的結構及計算模型及邊界條件

圖1 消聲器的結構二維視圖

圖2 穿孔管固定卡環

針對緊湊的管路空間，為了減少流體的阻力和增大隔聲效果，設計了穿孔管消聲器結構如圖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]，開孔率為12.1%，開孔直徑為2 mm，孔間距為5 mm，穿孔管厚度為1 mm，穿孔管通過4個卡環固定于排氣管內，卡環沿周向設有4個φ3 mm通孔供流體流通，其結構如圖2所示。在模擬分析中，為了提高網格質量，增加模擬分析的準確性，在建立聲學有限元網格的時候，忽略了這些小孔，而在穿孔板兩邊的網格之間通過定義一種傳遞導納[9]關系，間接模擬這些小孔，計算流域的網格結構參見圖3。

圖3 消聲器的網格模型

傳遞損失計算的邊界條件包括：

(1)入口邊界條件：在模型進口處施加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：消聲器內壁不考慮壁面吸收，默認為介質法向振速為零的剛性壁面，阻抗率趨于無窮大。

消聲器內部流動計算的邊界條件包括：

(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，設置出口壓力為101.325 kPa；

(3)壁面邊界條件：壁面無滑移。

3 計算結果及分析

3.1 消聲器流阻計算及分析

對圖1所示結構的排氣消聲器在額定工況下進行了流場數值計算。用四面體將模型網格化，生成仿真計算模型，消聲器入口設為速度進口，出口設為壓力出口，設定足夠的迭代計算次數進行仿真計算，計算得到的速度云圖如圖4。相應的進口速度為50m/s，進出口總壓差為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腔通過，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不斷收縮和擴張，以及腔體內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的高速流動狀態下，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損失滿足大部分排氣管路的動力學要求。

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構對3 000～5 000 Hz和0～1 000 Hz范圍內的頻率有較好的消聲效果。圖6為將冷卻水介質考慮為內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際中冷卻水的流量為1.14 kg/s并將其考慮成1 mm內管壁厚。由模擬結果可以看出，本文設計的阻抗結合式消聲器對高頻有較好的消聲效果且消聲范圍較廣。在冷卻水附著在內管壁的情況下，消聲器在0～2 000 Hz范圍內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范圍內消聲器的消聲性能相對純空氣介質有所下降；在冷卻水與空氣均勻混合的情況下，消聲器對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出較好的消聲性能。從模擬分析的結果可以得出：均勻混入的液體使排氣消聲器降噪的頻率往高頻移動；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 介質為空氣時消聲器傳遞損失

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的傳遞損失

4 實驗驗證

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

圖8 測試示意圖

實驗臺由排氣管路、阻抗結合式消聲器、兩個功率分別為4 W和8 W的外放喇叭聲源及聲源信號數據采集分析儀組成。將一段排氣管路置于空氣中，實驗中采用白噪聲為聲源并置于排氣管路的一端，分別測量原排氣管路和加阻抗結合式消聲器后管路排氣口的聲壓值。圖9圖10分別為白噪聲強度為90 dB和80 dB時排氣管路出口的聲壓值。該試驗主要對2 000 Hz以上頻段的消聲效果進行了測試。從圖中可以看出，該阻抗結合式消聲器對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部各點聲壓隨頻率變化的關系，實驗結果與實際情況較為吻合。

圖9 白噪聲幅值90 dB時出口聲壓

圖10 白噪聲幅值80 dB時出口聲壓

針對氣液混合的實際情況，本文搭建了如圖11所示的實驗裝置，主要包括空氣壓縮機、穩壓氣罐、節流閥、穩壓閥、聲級計、流量計、聲壓信號采集器及氣液混合裝置，液體流入量由閥門和水表簡易控制。在排氣量為200 m3/h，排水量為0.8 m3/h的實驗條件下，測得排氣管路內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部是由多孔材料構成，其目的是讓冷卻水在排氣過程中與氣體均勻混合形成氣液均勻混合介質。

圖11 實驗裝置示意圖

圖12 氣液混合排氣時出口聲壓

圖13 氣液混合排氣時的插入損失

由實驗結果可以看出，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及以上相對中低頻有所降低，這與模擬分析時存生一定偏差。究其原因可能是因為在消聲器聲學特性預測上，存在著高次波影響和一維聲波理論的計算公式在高頻區計算不準確的缺陷[10]。同時，氣流通過穿孔式消聲器產生的高頻再生噪聲也影響了實驗測試結果的精度。

5 結 論

利用三維有限元理論，建立實際消聲器的物理模型，利用Sysnoise軟件和Fluent軟件分別對消聲器的聲學性能和流體動力學性能進行數值模擬，設計了滿足管路消聲需求的緊湊型阻抗結合消聲器，分析了氣相和氣液兩相輸送條件下的消聲性能，通過研究可以得到以下結論：

(1)本文采用的管路排氣消聲器數值模擬方法在定性上與試驗結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對消聲器性能的影響主要體現在消聲頻率的改變，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)下一步工作重點在于提高高頻段消聲效果的模擬精度，并且針對管路內氣液兩相流動與消聲器的相互作用機理進行深入地研究。

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