進氣導流管對抗性消聲器性能的影響研究

劉智建，張 杰，姚新改，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）

1 引言

消聲器被廣泛的應用在發(fā)電、汽機排汽、風機、安全門等機械設備中，起著消聲降噪的作用；同時也影響著整個機械系統(tǒng)的動力性、經(jīng)濟性和噪聲性能。抗性消聲器對中低頻噪聲有較好的抑制，然而截面突變會帶來較大的壓力損失，當高速流氣流經(jīng)過擴張式腔體結(jié)構(gòu)時不但產(chǎn)生較大的阻力損失而且降低了消聲器的消聲性能。通常在排氣消聲器設計和改進過程中，主要根據(jù)進氣口管直徑等參數(shù)確定消聲器的擴張比、腔體長度等參數(shù)，這些參數(shù)重點考慮了消聲器的傳遞損失卻忽略了阻力損失[3]。消聲器的阻力損失和與v2成正比[4]，可見氣流在消聲器中起到的負面作用不容忽視。

目前國內(nèi)外學者關于阻力損失的研究有：文獻[1?2]研究了多入口多出口的阻力損失；文獻[3]研究了不同類型抗性消聲器的阻力損失；文獻[4]研究了關于冷卻塔消聲器擴張角度對阻力損失的影響；文獻[5]對穿孔壁面阻力特性進行了研究。文獻[6]提出了分流的思想即引導流體進入不同的通道降低了內(nèi)部氣體的流速從而達到減小阻力損失的目的。文獻[7]對排氣系統(tǒng)復雜消聲器進行了阻力損失分析。但對于導流管在消聲器性能上的影響鮮有研究，側(cè)重在單腔消聲器內(nèi)部添加導流管以達到減小氣流擴散降低阻力損失的目的。

2 研究理論

消聲器內(nèi)部的流體流動滿足流體力學三個基本方程分別為流體流動連續(xù)性方程、流體力學動量方程、和流體力學能量方程。連續(xù)性方程為：

式中：ux、uy、uz—x、y、z三個方向的速度分量，m/s；t—時間，s；ρ—密度，kg/m3。

消聲器計算時采用無粘性流體的動量守恒方程：

流體力學能量方程為：

式中：E—流體微團動能，J/kg；包含內(nèi)能、動能和勢能之和，；h—焓，J/kg；?j—組分j的焓，J/kg；keff—有效熱傳導系數(shù)，W（/m?K）；keff=k+kt，kt—湍流熱傳導系數(shù)，根據(jù)所用的湍流模型來確定；Jj—組分j的散通量；S?—包括了化學反應熱及其他用戶定義的體積熱源項。

消聲器內(nèi)部氣體在排氣系統(tǒng)中的流動，實際是一種湍流運動，計算消聲器內(nèi)部流場時采用標準化的k?ε雙方程湍流模型，設置入口流速分別為10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s、70m/s；出口為壓力出口，表壓設置為0。湍流強度由下式計算[8]：

式中：ρ—空氣密度；v—氣流速度；d—消聲器管道直徑；μ—空氣動力粘度系數(shù)，取（1.8×10?5）Pa·s。

計算所得各個速度下的湍流強度，如表1所示。

表1 湍流強度Tab.1 Turbulence Intensity

消聲器的空氣動力性能通常用阻力損失來衡量，定義為入口端與出口端的全壓差：

式中：p1—消聲器入口端全壓；

p2—消聲器出口端全壓。

3 導流管偏置擴張式消聲器性能分析

為了確保各因素下對比結(jié)果的準確性，分析模型均在三維軟件UG中建立；阻力損失計算將模型導入到Fluent中計算；傳遞損失在LMS Virtual.Lab 中計算。

3.1 導流管偏置擴張式消聲器結(jié)構(gòu)及阻力損失

建立四種不同導流管長度的偏置型抗性消聲器，如圖1所示。此結(jié)構(gòu)偏置63mm可以使得高階聲模態(tài)得到有效地抑制，從而提高高頻范圍內(nèi)的傳遞損失[9]。同時為了盡可能的減小阻力損失，導流管的曲率半徑應盡可能大且平滑，所以取兩段曲率半徑相同的導流管（圖1（b）、圖（c）中R=174.48mm；圖（d）中R=105.04mm）。四種結(jié)構(gòu)的阻力損失，如圖2所示。

圖1 不同導流管旁支型擴張腔消聲器Fig.1 Different Draft Tube Side?Supporting Expansion Chamber Muffler

圖2 不同導流管偏置擴張式阻力損失對比Fig.2 Comparison of Biased Expansion Pressure Loss of Different Draft Tubes

從圖2可以看出，添加進氣導流管后的阻力損失明顯減小且入口流速越大導流管的作用越顯著；如當流速達到70m/s 時，b（2298.32Pa）較a（5688.87Pa）的阻力損失降低了3390.55Pa，而c的阻力損失（1463.59Pa）又比b進一步降低了804.73Pa；同時可見增加出口內(nèi)插管后由于擴散氣流的行程縮短所以阻力損失進一步減小，在氣流必要的行程內(nèi)導流管越長阻力損失越小。由c與d對比可得當縮短進氣導流管長度時彎管的曲率半徑會減小從而導致阻力損失明顯增加，如70m/s時，d（3169.49Pa）比（c1463.59Pa）的阻力損失高出1705.9Pa；綜合對比a、b、c可得，彎管曲率半徑增加所導致的阻力損失增加遠遠大于因出口內(nèi)插管所導致的。這其中導流管的一個重要作用是防止氣流湍流所導致的旋渦，而高流速且直徑小的旋渦會使得阻力損失大大增加。

3.2 導流管偏置擴張式消聲器傳遞損失

將上述四種不同結(jié)構(gòu)的消聲器導入Virtual.Lab中得到傳遞損失對比，如圖3所示。

圖3 不同導流管偏置擴張式消聲器傳遞損失對比Fig.3 Comparison of Transmission Losses of Different Draft Tube Offset Expansion Muffler Tubes

由上圖可以看出所有添加導流管的偏置擴張式消聲器在（0~1000）Hz的范圍內(nèi)傳遞損失明顯增加。在（0~1000）Hz內(nèi)a、b、c、d的 平 均 傳 遞 損 失 分 別 為19.04dB、25.37dB、24.99dB、28.96dB。在（1000~3000）Hz范圍內(nèi)的傳遞損失結(jié)構(gòu)a優(yōu)于b、c、d三種形式。全頻段內(nèi)a、b、c、d四種結(jié)構(gòu)的平均傳遞損失為20.74dB、17.68dB、19.33dB、20.54dB，對比a、b、c可得添加導流管會降低傳遞損失，出口內(nèi)插管會提高傳遞損失；對比c、d可得：導流管曲率半徑減小會提高消聲器的聲學性能。

4 導流管旁支擴張式消聲器性能分析

4.1 導流管旁支式擴張式消聲器結(jié)構(gòu)及阻力損失

建立四種旁支型擴張式抗性消聲器結(jié)構(gòu)模型，如圖4所示。

圖4中a為典型的旁支型擴張式消聲器，b、c、d為添加不同進氣導流管的擴張式消聲器。導流管都取曲率半徑最大且平滑的90o的彎頭[10]。其阻力損失對比，如圖5所示。

圖4 不同導流管旁支型擴張式消聲器結(jié)構(gòu)Fig.4 Side?Supporting Type Muffler Structure with Different Draft Tubes

圖5 不同導流管旁支型擴張式消聲器阻力損失對比Fig.5 Comparison of Resistance Losses of Different Type of Draft Tube Side?Supporting Muffler

由圖5 得出結(jié)構(gòu)b在a的基礎上添加導流管后，70m/s 時b（4031.97Pa）較a（5898.03Pa）阻力損失在時減小了1866.06Pa，但由于氣流方向改變了90o氣體仍然具有慣性導致大量氣體沖擊到出口管的下壁面，速度云圖，如圖6所示。

圖6 b結(jié)構(gòu)氣流速度云圖Fig.6 b Structure Airflow Velocity Cloud Map

由圖6可得氣流中心較出口管中心偏離了18mm，所以在b結(jié)構(gòu)的基礎上將c導流管向上平移18mm，避免氣體沖擊壁面的現(xiàn)象，同時導流管曲率半徑會減小。由圖5 可以看出在70m/s 時c（2492.73Pa）較b（4031.97Pa）的阻力損失再次降低了1539.24Pa，b、c對比可得氣流沖擊壁面是影響阻力損失的最主要因素。d在c結(jié)構(gòu)基礎上添加了出口內(nèi)插管，由圖5可得，在70m/s時d（2118.48Pa）的阻力損失僅比（c2492.73Pa）降低了374.25Pa，由此可得：出口內(nèi)插管對阻力損失的影響小于導流管對阻力損失的影響。

4.2 導流管旁支擴張式消聲器傳遞損失的影響

四種旁支型擴張式消聲器的傳遞損失對比，如圖7所示。

圖7 導流管旁支擴張式消聲器傳遞損失Fig.7 Transmission Loss of the Expansion Muffler Adjacent to the Draft Tube

從圖7中可以看出，添加導流管后在（0~750）Hz的頻率內(nèi)，b、c、d結(jié)構(gòu)的傳遞損失有所增加。在（0~1000）Hz頻段內(nèi)a、b、c、d的平均傳遞損失為：20.85dB、25.23dB、25.15dB、27.44dB。全頻段內(nèi)a、b、c、d的平均傳遞損失分別為：24.49dB、18.47dB、18.58dB、23.45dB。可見b、c結(jié)構(gòu)添加導流管后傳遞損失明顯降低。d結(jié)構(gòu)添加了出口內(nèi)插管后傳遞損失與典型偏置式a僅相差1.04dB，結(jié)合3.2的分析可得：添加導流管的抗性消聲器出口內(nèi)插管是影響傳遞損失的主要因素。

5 導流管反流擴張式消聲器性能分析

5.1 導流管反流擴張式消聲器結(jié)構(gòu)及阻力損失

反流擴張式消聲器結(jié)構(gòu)如圖，如圖8所示。圖8（a）為典型的反流式消聲器，圖8（b）較圖8（a）在結(jié)構(gòu)上添加導流管，圖8（c）較圖8（b）在結(jié)構(gòu)上將進氣導流管向上提高18mm；圖8（d）較圖8（c）在結(jié)構(gòu)上將進氣與出氣導流管整體向上提高了62mm。

圖8 導流管返流式擴張式消聲器結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of Draft Tube Backflow Expansion Muffler

阻力損失曲線，如圖9所示。對比a、b曲線得b的阻力損失大于a，這是由于添加導流管后改變了氣體流動方向但氣體仍有向下流動的趨勢所以大部分氣體并沒有沿著水平方向流入出口管，速度云圖，如圖10所示。

圖9 導流管返流式阻力損失Fig.9 Resistance Loss of Draft Tube Return Muffler

圖10 b結(jié)構(gòu)氣流速度云圖Fig.10 b Structure Airflow Velocity Cloud Map

所以在圖c、d上分別將左邊進口管向上移動18mm即導流管直徑的一半，這樣保證了氣體束流出進口管后直接流入出口管。

由圖9 可以看出，在70m/s 時c（3995.73Pa）較a（5553.69Pa）阻力損失降低了1558.26Pa。d較c在結(jié)構(gòu)上進出口管整體向上平移了62mm，但阻力損失幾乎沒有變化，由此可得氣體沖擊壁面是導致阻力損失降低的主要因素。

5.2 導流管反流擴張式消聲器傳遞損失分析

4種結(jié)構(gòu)的傳遞損失，如圖11所示。

圖11 導流管返流式消聲器傳遞損失Fig.11 Transmission Loss of the Draft Tube Backflow Muffler

在圖11中，b、c、d在（0~1000）Hz內(nèi)傳遞損失明顯提升。a、b、c、d在（0~1000）Hz 內(nèi)的平均傳遞損失為：19.48dB、24.25dB、25.31dB、27.13dB。a、b、c、d全頻段的平均傳遞損失分別為14.08dB、19.53dB、20.32dB、18.35dB。

可見添加導流管后所有的消聲量都比典型反流式消聲器式有所提高，b、c對比可得：導流管偏置會增大傳遞損失，c、d對比可得導流管伸入反流式腔體下半部分有助于提高傳遞損失。

6 多腔體擴張式消聲器優(yōu)化實例

6.1 導流管多腔體擴張式消聲器結(jié)構(gòu)及阻力損失

某機械排氣抗性消聲器原結(jié)構(gòu)，如圖12（a）所示。其入口流速為55m/s，實際使用中排氣背壓較大，對內(nèi)燃機功率損失較大。

現(xiàn)對其結(jié)構(gòu)進行改進，如圖12（b）所示。在每個腔體入口處添加導流管，在右端出口處添加內(nèi)插管。

圖12 多腔體擴張式消聲器Fig.12 Multi?Cavity Expansion Muffler

優(yōu)化前后的阻力損失變化，如表2 所示。速度云圖，如圖13、圖14所示。

表2 阻力損失Tab.2 Pressure Loss

圖13 優(yōu)化前氣流速度云圖Fig.13 Airflow Velocity Map Before Optimization

圖14 優(yōu)化后氣流速度云圖Fig.14 Airflow Velocity Map After Optimization

由速度云圖可以看出：當氣體在腔體中擴散，高速氣流會直接沖擊消聲器壁面。氣體在彎管中流動時在出口處會有一定的慣性，所以需要調(diào)節(jié)導流管中心線的位置，在工程中可以根據(jù)實際氣流速度進行調(diào)節(jié)。

6.2 導流管多腔體擴張式消聲器傳遞損失分析

原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后的傳遞損失對比，如圖15所示。

在圖15中，原消聲器優(yōu)化后在（0~700）Hz頻段內(nèi)傳遞損失明顯有所提升。（0~1000）Hz頻段內(nèi)優(yōu)化前后的平均消聲量分別為66.19dB、76.11dB，符合前述單腔體擴張式消聲器的分析。全頻段內(nèi)的平均消聲量分別為74.66dB、67.29dB，較原結(jié)構(gòu)下降9.8%，但也符合單腔擴張式消聲器的分析。

圖15 多腔體擴張式消聲器傳遞損失Fig.15 Transmission Loss of Multi?Cavity Expansion Muffler

7 結(jié)語

（1）提出了幾種不同添加導流管結(jié)構(gòu)的方式，添加進氣導流管后抗性消聲器阻力損失會極大的減小；在70m/s時，偏置擴張式較典型式最大減小了74%，旁支擴張式較典型式最大減小了64%，反流擴張式較典型式最大減小了34%。

（2）進氣導流管增加中低頻段的傳遞損失，在（0~1000）Hz內(nèi)的平均傳遞損失，偏置擴張式較典型式最大增加了52.1%、旁支擴張式最大增加了31.6%、反流擴張式最大增加了39.3%。

（3）對多腔體消聲器進行添加導流管和內(nèi)插管的組合優(yōu)化后，阻力損失較原結(jié)構(gòu)減小了52%，傳遞損失在中低頻內(nèi)增加了15%，優(yōu)化效果顯著，消聲器使用性能得到提高。

在實際工程使用中，可以根據(jù)消聲器的不同類型添加導流管，主要原則是避免流體沖擊壁面的現(xiàn)象發(fā)生，減少流體在腔體中擴散。