多入多出型消聲器阻力損失探究

劉智建 張 杰 郭文亮

(1.太原理工大學機械與運載工程學院， 山西太原 030024； 2.精密加工山西省重點實驗室， 山西太原 030024)

引言

消聲器作為一種有效的降噪設備，廣泛應用于各種機械設備中。在氣流通過消聲器內部時，一方面減弱了噪聲的傳播，一方面也發生了機械能的損耗現象，消聲器進出口端的氣體全壓產生一定程度的降低。這種降低會直接加大發電機或汽車內燃機等的功率損失，使得設備使用效能大大下降。

對于消聲器阻力損失的研究，國內外學者進行了大量的探究。胡效東[1]研究了相應結構對消聲器壓力損失的影響規律；鄧兆祥[2]研究了擴張比對消聲器阻力損失的影響并得出了臨界擴張比；李沛然[3]研究了反流式插入管的進出口管與后壁面距離對消聲器壓力損失的影響；林光典[4]對典型的抗性消聲單元進行了壓力損失研究；姚進峰[5]在分析消聲器背壓的基礎上比較了其對消聲量的影響；魏軻[6]研究了漸擴結構對冷卻塔消聲器阻力損失的影響。但上述文獻都是針對的單入單出單腔或多腔消聲器。在實際使用中，多入多出型消聲器也應用廣泛。文獻[7-9]探究了多入多出型消聲器的消聲性能，對其空氣動力特性并未分析。本研究進一步探究了多入多出口消聲器的阻力損失變化，以明確其空氣動力特性，為多入多出口消聲器的設計改進提供參考。

1 理論及模型

1.1 消聲器阻力損失理論

消聲器的空氣動力性能通常用阻力損失來衡量，其中包括氣流擴散形成的局部阻損和氣流傳播的沿程阻力，總阻力損失定義為入口端與出口端的全壓差：

Δp=p1-p2

(1)

式中,p1為消聲器入口端全壓；p2為消聲器出口端全壓。

對于消聲器阻力損失常采用CFD計算，該方法對于內部流場計算結果可靠準確[10-12]。計算方程選用k-ε標準方程；設定消聲器內部為湍流流動；分別取消聲器入口端流速為5， 15， 25， 35， 45， 55， 65， 75 m/s；其中水力直徑雷諾數Re和湍流強度I分別由下式計算：

(2)

I=0.16×Re-0.125

(3)

式中，ρ為空氣密度，取1.29 kg/m3；v為氣流速度；d為消聲器管道直徑；μ為空氣動力黏度系數，取1.8×10-5Pa·s。

1.2 多入多出型消聲器模型

實際使用中，常用的主要是雙入口和雙出口消聲器，因此，本研究主要對圖1所示的同軸型(圖1a)和交叉型(圖1b)2種雙入雙出口消聲器進行分析。

2種消聲器各部分結構參數相同。擴張腔長度L=400 mm；擴張腔直徑D=240 mm；入口管與出口管直徑都為d=45 mm；δ1=δ2=β1=β2=50.5 mm。

2 消聲器阻力損失分析

2.1 消聲器結構形式阻損對比

首先構建常用的不同入出口消聲器結構如圖2所示，分別有單入單出、單入雙出、雙入單出、2種雙入雙出形式。

圖1 多出多入型消聲器模型

圖2 不同結構消聲器示意圖

消聲器各部分結構尺寸相等，入口出口直徑為45 mm，長100 mm；擴張腔直徑240 mm，長400 mm。經過CFD分析得到其入出口壓力后，采用式(1)可得到各結構的阻力損失大小，其比較如圖3所示。

圖3 不同結構消聲器阻力損失對比

從圖3中可以看出，5種類型的消聲器中，單入雙出型消聲器產生的阻力損失最大，單入雙出消聲器產生的阻力損失最小。同時，對比2種雙入雙出型消聲器可以看出，交叉型消聲器的阻力損失大于同軸型消聲器的阻力損失，產生這一現象的原因是，對于同軸型消聲器，氣流流入擴張腔后，直接由出口管流出，阻力損失著重發生在出口管處(圖4a所示)。對于交叉型消聲器，氣流經入口管流入后，首先部分氣流碰撞在壁面，造成部分阻力損失(圖4b),再經出口管流出時，在出口管處再次造成部分損失(圖4c)，因此消聲器內部的壓力經多次改變，造成最終出口壓力減小，阻力損失增大。

圖4 消聲器內部湍動能云圖

2.2 入出口管變化對阻力損失的影響

1) 入口管相對角度對阻力損失的影響

保持圖1中2種消聲器的結構形式不變，改變2個入口管相對角度分別為90°, 135°, 225°, 270°。其阻力損失變化如圖5所示。

從圖中5可以看出，對于同軸型和交叉型的消聲器，入口管角度對阻力損失的影響基本相同，其中入口管呈90°和270°時，消聲器阻力損失相同。入口管呈135°和225°時，同軸型的消聲器阻力損失有略微差異，但差異相對較小，影響甚微；交叉型消聲器的阻力損失完全相同。同時，對比2種類型消聲器的阻力損失變化可以看出，入口管角度變化對交叉型消聲器的阻力損失影響比同軸型消聲器受到的影響更大。

2) 出口管相對角度的影響

改變圖1中2種消聲器的入口管相對角度，分別為90°， 135°， 225°， 270°，阻力損失變化如圖6所示。

從圖6中可以看出，出口管角度變化帶來的影響與入口管變化的影響相似，都是90°與270°的阻力損失變化相同；135和225°的阻力損失變化相同，這是由于結構的對稱性，氣流在內部產生的局部和沿程阻損并沒有發生變化。此外，2種消聲器在角度影響下的阻力損失變化幅度也基本相同，因此。出口管相對角度對2種類型消聲器的影響相同。

圖5 入口管相對角度對阻力損失的影響

圖6 出口管相對角度對阻力損失的影響

3) 出口管相對距離的影響

出口管位置會受到實際工作情況而調整，圖7所示為改變出口管相對距離帶來的阻力損失變化情況，分別取δ1=δ2為30.5, 50.5, 70.5mm。

圖7 出口管相對距離對阻力損失的影響

從圖7中可以看出，首先，流速增大，隨著出口管距離的增加，同軸型消聲器阻力損失減小但交叉型消聲器阻力損失增大。此外，隨著出口管距離的增大，2種消聲器在此影響下的阻力損失變化減弱，如55 m/s時，出口管距離由小到大，同軸型消聲器的阻力損失分別為2805, 2552, 2506 Pa，后兩者相差很小，幾乎變化不大。

2.3 消聲器結構參數對阻力損失變化的影響

1) 擴張腔長度的影響

圖8為擴張腔長度變化計算的消聲器阻力損失計算值。保持消聲器其他參數不變，只改變圖1中2種消聲器的擴張腔腔體長度，分別取L為300, 400, 500 mm。

從圖8中可以看出，對于同軸型消聲器，腔體長度增大，消聲器阻力損失變大，這一阻損主要來于沿程阻損的增加；而對于交叉型消聲器，腔體長度增加，消聲器阻力損失變小，這與同軸型正好相反，原因是對于交叉型消聲器，腔長增大氣流從入口管入射后的沿途路徑增大，與對面壁面產生碰撞的緩沖增大，減小了碰撞所帶來的一系列能量損失。

圖8 擴張腔長度對阻力損失的影響

2) 擴張腔直徑的影響

圖9為擴張腔腔體直徑改變的計算值，分別取腔體直徑D為180, 240, 300 mm。

從圖9中可以看出，對于同軸型消聲器(圖9a)，擴張腔直徑變化對阻力損失的影響較為明顯，隨著腔體直徑變大，消聲器阻力損失變小。對于交叉型消聲器(圖9b)，腔體直徑變大，阻力損失變大。但腔體直徑增高到一定值時，阻力損失變化減弱，如腔體直徑為240 mm和300 mm時，消聲器阻力損失幾乎沒有發生變化。造成這一變化的原因與上述擴張腔長度變化帶來的影響類似，都是消聲器自身結構帶來的局部阻損和沿程阻損的改變所造成。

3) 入出口管直徑的影響

圖10所示為消聲器入出口管直徑變化帶來的影響，取入出口管直徑d為30, 45, 60 mm。

圖9 擴張腔直徑對阻力損失的影響

圖10 入出口管直徑對阻力損失的影響

從圖10可以看出，入出口管直徑變化對同軸型和交叉型2種多入多出口消聲器影響相同，隨著管徑變大，消聲器阻力損失變小。這一變化是由于消聲器擴張比減小，局部阻損減小帶來的總體阻損的降低，對于交叉型氣流會先碰撞到壁面再從出口流出，因此其減小幅度遠小于同軸型消聲器。

3 消聲器阻力損失改進

為了進一步考慮多入多出型消聲器的阻力特性，本節針對上述研究中的同軸型消聲器進行結構改進以此降低其阻力損失。本研究主要提出2種方式對消聲器進行改進。方式一對消聲器增加內插管形式；方式二對消聲器增加過渡結構，如圖11所示。改進后的消聲器阻力損失比較如圖12所示。

圖11 消聲器結構改進示意圖

圖12 改進前后消聲器阻力損失對比

從圖12可以看出，消聲器在經過2種方式的結構改進后，各個流速下的都阻力損失大大降低。從降低機理上二者各有不同，一方面，對于添加內插管，氣體在管內擴散受到限制，從而整個氣流梯度下降，降低了分子摩擦能量損失；另一方面，在圖4中已經知道該種結構的最大湍動能產生于出口管處，因此過渡結構在一定程度上降低了截面突變程度，是降低最大湍動能的角度進行了減小氣流能量損失。但總體上二者都是從減小局部阻損的角度進行了降低總體阻力損失。對比兩方式可以看出，采用內插管形式進行改善比增加過渡形式的效果更好。

4 結論

本研究采用CFD計算，得到了不同出入型消聲器的阻力損失：

(1) 首先對比常見的出入型結構消聲器，阻力損失從大到小依次為：雙入單出、交叉型雙入雙出、同軸型雙入雙出、單入單出、單入雙出；

(2) 分析雙入雙出型消聲器可知，對于同軸型結構兩個出口管角度會對其阻力損失產生一定影響，但入口管角度變化對其影響不大；對于交叉型結構，入口管和出口管角度的變化都會造成其阻力損失的增大或減小。兩個出口管相對距離的增大，對兩種結構影響相反；

(3) 對于消聲器結構參數的變化：擴張腔長度減小和擴張腔直徑增大影響同軸型消聲器阻力損失減小，但對交叉型結構影響正好相反；入出口管直徑變化對兩種結構的影響相同，消聲器阻力損失都隨直徑增大而減小；

(4) 采用內插管形式和過渡結構可以大幅降低多入多出型消聲器阻力損失，且前者效果好于后者。

在實際工程使用中，可以視工作條件，調整多出多入型消聲器的相關參數或改變結構，以提高其使用性能。