船舶通氣管路噪聲特性數值分析與控制

魏杰證 林永水 吳衛(wèi)國 顧 鑫 王獻忠

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學理學院2) 武漢 430070)

0 引 言

船舶空調等通氣管路作為船舶聲振激勵源之一，在實現通風、調節(jié)溫度等功能的同時，由于管內氣體流動，不僅會直接產生流噪聲，還會引起管壁振動，產生輻射噪聲.另外，船舶空調等通氣管路直接與上層建筑居住艙室相連接，受到空間和質量嚴格限制，尺寸不能太大，且為確保完成相應功能，管內流速相對較高.

目前，國內外關于通氣管路噪聲的計算方法主要包括理論方法、試驗測試和數值計算.Yi等[1]在消聲室內測量了管內流體導致的管壁振動和管口噪聲特性.Mori等[2]在背景噪聲低于30 dB情況下，測量了不同流速下管口監(jiān)測點噪聲頻譜特性.數值計算方面，Ayar等[3]利用計算流體軟件和聲學計算軟件相結合的方法，對空調系統(tǒng)內部流噪聲進行了數值計算研究.Lee等[4]通過CFD對風管內部流場進行計算，然后將流場信息轉換為等效聲源，基于聲學邊界元進行輻射聲場的計算，并將數值預報結果與實驗結果相比較，發(fā)現二者在整個計算頻率范圍內比較吻合，證明了數值方法的可靠性.Liu等[5]對通氣彎管的噪聲頻譜特性進行了數值計算，首先利用k-ε模型進行穩(wěn)態(tài)計算，收斂后基于LES進行瞬態(tài)計算，輸出聲源結果文件，然后進行聲學計算.徐俊偉等[6]對幾種氣體流動噪聲數值計算方法進行了介紹分析，并指出聯(lián)合計算流體動力學軟件和聲學計算軟件的混合計算方法能較真實的預測工程問題.嚴旭等[7]通過流體計算軟件和聲學計算軟件對某車型駕駛室空調風管流動噪聲進行了數值模擬研究.潘友鵬[8]利用Fluent和Virtual.Lab對某導管架平臺通氣管路噪聲頻譜特性進行了數值分析研究.擴張管降噪技術方面，Lee等[9]針對管路流動噪聲，提出了設計加裝擴張管的降噪技術，對其降噪效果進行了數值分析，指出合理的擴張尺寸可顯著降低管路流動噪聲.李強[10]針對空調管路系統(tǒng)噪聲，提出合理確定管路截面形式的降噪措施，并采用聲場模擬軟件Raynoise對其進行模擬，發(fā)現該措施有很好地降噪效果.顏建容[11]針對汽車空調管路噪聲問題，提出改善管路截面尺寸的降噪措施，并通過數值計算方法，對比驗證了該措施的有效性.

關于通氣管路流動噪聲的計算方法，理論體系較完善，但求解相當復雜；試驗方法在成本各方面要求較高，受客觀條件限制較多；而數值計算方法成本較低，且能提供較完整的物理信息.因此，本文利用有限元軟件、計算流體動力學軟件和聲學計算軟件，基于邊界元方法(BEM)，對船舶典型通氣管路噪聲特性進行了預報，探討了管口監(jiān)測點聲壓級及其頻譜特性在不同流速下的變化規(guī)律，并對擴張管降噪技術進行了一定的研究分析.

1 基本理論方程

1.1 LES湍流模型

LES主要思想是將復雜的湍流運動區(qū)分為大尺度渦和小尺度渦，在滿足流體力學基本方程基礎上，對湍流變量進行濾波，得到LES控制方程

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；ui和uj為過濾后速度分量；μ為湍流黏性系數；τij為亞格子尺度應力.

為使控制方程封閉，目前采用較多的亞格子模型是渦旋黏性模型

(3)

式中：δij為克羅內克函數；υT為亞格子渦黏性系數；sij為雷諾尺度應力張量.

1.2 FW-H方程

文獻[1]在Lighthill聲類比理論基礎上，推導出了FW-H方程：

(4)

式中：c0為遠場聲速；p′為觀測點聲壓；ui為xi方向的流體速度分量；un和vn分別為垂直于積分面的流體速度分量和積分面移動速度分量；δ(f)為Dirac函數；H(f)為Heaviside函數；pij和Tij分別為應力張量和Lighthill張量.

2 通氣管路噪聲計算與分析

2.1 管路結構有限元模型

由于通氣管路內部氣體流動，其不僅會直接產生流噪聲，還會引起管壁振動，產生輻射噪聲.為了更加真實模擬通氣管路噪聲問題，引入結構模態(tài).因此，首先利用有限元軟件Patran建立圖1的典型通氣彎管的結構有限元模型，并通過Nastran進行模態(tài)分析，得到包含管路結構模態(tài)結果和有限元網格模型的.op2文件.

圖1 管路有限元模型

2.2 管內流場計算

在ICEM中建立計算彎管的幾何模型，然后進行網格劃分，并保存為mesh文件，管路網格見圖2.網格劃分是CFD計算中至關重要的一環(huán)，高質量的網格能夠提高計算精度、減小計算時間，進而提高計算效率.為更好地擬合管路結構形狀、減小網格數量，采用了結構化網格.網格質量(quality)、縱橫比(Aspect Ratio)以及最小角度(Min Angle)是進行網格劃分時的主要檢查對象.本管路網格模型中，以上三個指標分別控制在0.35，0.35，18°以上.

圖2 管路網格

將mesh文件導入計算流體動力學軟件FLUENT.管路中介質定義為空氣，密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s.管路入口設置為速度入口(velocity-inlet)，并取V=10 m/s，出口設置為壓力出口(pressure-outlet).然后，基于k-ε模型進行穩(wěn)態(tài)計算，達到收斂后，以穩(wěn)態(tài)計算結果為初始條件，基于LES湍流模型進行瞬態(tài)計算，達到準穩(wěn)定狀態(tài)后，打開FW-H聲學模塊，設置聲源，計算得到表征時域聲源數據的CGNS文件.計算完成后，管內流線見圖3.

圖3 管內流線圖

2.3 管口聲場計算

將表征時域聲源數據的CGNS文件導入聲學計算軟件Virtual.Lab，得到管壁壓力云圖見圖4.由圖3～4可知，管內氣體沿流線運動過程中，隨著流速增大，壓力減小；流速減小，壓力增大.對于氣體沿流線運動過程中，可認為能量總和保持不變，即總壓不變.忽略氣體重力，流速增大，則動能(動壓)變大，壓力能減小，即靜壓減小，反之亦然.

圖4 管壁壓力云圖

將Nastran計算的管路結構模態(tài)結果導入聲學計算軟件Virtual.Lab.定義網格類型，并在距管路出口平面50 mm處定義一個與管路出口平面相平行的方形場點網格平面，將其中心設置為監(jiān)測點，并定義一個沿管路出口方向的場點網格平面.聲學網格見圖5，場點網格平面和管口監(jiān)測點見圖6.然后，將流體壓力數據轉移到邊界元網格上，并進行傅里葉變換，將時域聲源數據轉換為頻域數據.基于聲學邊界元方法(BEM)進行監(jiān)測區(qū)域聲場計算，進而得到不同頻率下的聲壓級云圖，見圖7，監(jiān)測點處聲壓級頻譜特性曲線見圖8.由圖5～8可知，沿管路出口方向，噪聲大致以管路出口平面圓心為中心，呈輻射狀減小，在與管路出口平面相平行的場點平面，噪聲以場點平面中心處為中心，呈輻射狀減小.另外，通氣管路噪聲聲壓級呈寬頻特性，并且低頻較高頻相對偏高.

圖5 聲學網格模型

圖6 場點網格平面和管口監(jiān)測點

圖7 監(jiān)測區(qū)域不同頻率聲壓級云圖

圖8 監(jiān)測點聲壓級頻譜特性曲線

2.4 不同流速下管口聲場計算分析

船舶通氣管路入口流速對其通風、調節(jié)溫度等使用功能以及居住艙室舒適性都有著一定影響.為了更加充分探究通氣管路入口流速對管路出口關心場點處聲壓級及其頻譜特性的影響規(guī)律，建立了圖9的管路模型.管路入口位置如圖所示，入口和3個出口橫截面相同，并在三個出口的相同位置設置了A，B，C三個監(jiān)測點.在保持其它因素不變的情況下，本文選取了V=4，6，8，10，12，14 m/s 6個入口速度條件，進行管路出口3個監(jiān)測點聲壓級頻譜特性的計算與分析.A，B，C三個監(jiān)測點在不同入口流速下1/3倍頻程聲壓級頻譜特性曲線和A計權聲壓級變化曲線見圖10.由圖10可知，在通氣管路不同入口流速下，管路出口監(jiān)測點處聲壓級頻譜特性相似，頻譜特征及峰值特征與入口流速無關.該結論與文獻[2]的試驗結果是一致的，這也證明了本文數值計算方法的可靠性.另外，管路出口監(jiān)測點處聲壓級與管路入口流速相關，其隨著流速的增大而升高，且在計算分析范圍內，基本呈線性關系.在對稱的B，C兩位置，可以發(fā)現其聲壓級曲線基本重合，這也從側面驗證了本文數值計算方法的可靠性.

圖9 管路模型及管口監(jiān)測點布置

圖10 不同入口流速下不同監(jiān)測點聲壓級頻譜曲線和聲壓級變化曲線

3 擴張管降噪技術仿真與分析

3.1 不同擴張位置降噪效果分析

船舶通氣管路對上層建筑居住艙室舒適性有著重要的影響，尤其是在國家正大力研發(fā)大型及中型郵輪的今天，降低船舶通氣管路噪聲，對提高我國船舶舒適性和促進郵輪發(fā)展都具有重要意義.而擴張管利用管路橫截面形狀和尺寸的變化，使管內流體發(fā)生分離，改善管內流場特性，產生較大的壓降，減小管內流體流動產生的噪聲.為了驗證擴張管的降噪效果，以及對比分析不同擴張位置的影響，建立了圖11a)的普通彎管模型，以及在入口直管段和出口直管段分別采取擴張結構形式的彎管模型(1)和模型(2)，模型分別見圖11b)～c).

圖11 不同擴張位置彎管模型

保持管路入口流速、模型整體尺寸、監(jiān)測點位置等因素不變，對三個不同彎管出口相同位置處監(jiān)測點的聲場進行計算，可得普通彎管監(jiān)測點處聲壓級為49.8 dB(A)，擴張彎管模型(1)監(jiān)測點處聲壓級為38.8 dB(A)，擴張彎管模型(2)監(jiān)測點處聲壓級為65.1 dB(A).三個監(jiān)測點處聲壓級頻譜特性曲線，見圖12.由圖12可知，擴張管可以對通氣管路噪聲起到較明顯的控制作用，并且在通氣管路不同位置處采取擴張結構形式的降噪效果是不同的.

圖12 不同擴張位置彎管監(jiān)測點聲壓級頻譜特性曲線

3.2 不同擴張尺寸降噪效果分析

為了進一步分析不同擴張尺寸對通氣管路噪聲的控制效果，建立了圖13的未采取擴張形式的普通彎管和不同擴張尺寸的彎管模型，其擴張?zhí)幹睆椒謩e為1.3D，1.5D，1.8D(D為管路直徑).

圖13 不同擴張尺寸彎管模型

保持管路入口流速、模型整體尺寸、監(jiān)測點位置等因素不變，對不同擴張尺寸彎管出口相同位置處監(jiān)測點的聲場進行計算，可得普通彎管監(jiān)測點處聲壓級為49.8 dB(A)，隨著擴張尺寸變大，其監(jiān)測點處聲壓級分別為38.8，44.1和38.9 dB(A).4個監(jiān)測點處聲壓級頻譜特性曲線，見圖14.由圖14可知，在管路入口直管段同一位置，采取不同擴張尺寸對該管路噪聲均能起到一定控制作用，且在較高頻率段內降噪效果較好，其降噪效果受到擴張尺寸的影響.對于實際工程應用中，不僅要考慮降噪效果，還要綜合考慮空間、重量等因素限制，合理選擇擴張尺寸.

圖14 不同擴張尺寸彎管監(jiān)測點聲壓級頻譜特性曲線

4 結 論

1) 典型彎管通氣管路噪聲聲壓級總體呈寬頻特性，并且低頻聲壓級較高頻相對偏高.

2) 不同入口流速下，通氣管路噪聲聲壓級頻譜特性相似，頻譜特征及峰值特征與入口流速無關，但場點聲壓級隨著流速的增大而升高，且在一定范圍內，基本呈線性關系.

3) 擴張管可以對通氣管路噪聲起到較明顯的控制作用，且在較高頻率段內降噪效果較好.本文中，未采取擴張形式及三種不同擴張尺寸的管路模型，按擴張尺寸逐漸變大的順序，其同一監(jiān)測點處聲壓級分別為49.8，38.8，44.1，38.9 dB(A).對于實際工程應用中，不僅要考慮降噪效果，還要綜合考慮空間、重量等因素限制，合理選擇擴張尺寸.

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