船用發(fā)電機(jī)排氣消聲器聲學(xué)計(jì)算與試驗(yàn)研究

黃偉稀，陳文華，梁 赟

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

0 引言

排氣消聲器是船舶主機(jī)排氣系統(tǒng)噪聲控制的重要手段，以抗性消聲結(jié)構(gòu)為主。對(duì)于以平面波為主要成分的小管徑抗性消聲器，可采用傳遞矩陣方法進(jìn)行計(jì)算[1–2]，而船用主機(jī)排氣消聲器較一般消聲器（如車用消聲器、通風(fēng)消聲器）尺寸要大得多，存在豐富的高階模態(tài)，在截止頻率以上頻段無法通過傳遞矩陣法計(jì)算，多數(shù)采用有限元方法評(píng)估其聲學(xué)性能與氣動(dòng)性能[3–7]。本文針對(duì)某型船用主機(jī)排氣消聲器，采用Virtual lab 聲學(xué)有限元方法進(jìn)行消聲器的聲傳遞損失計(jì)算，采用Fluent 對(duì)消聲器阻力損失進(jìn)行計(jì)算，在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心試驗(yàn)室內(nèi)完成了聲學(xué)性能與氣動(dòng)性能的試驗(yàn)測(cè)試，掌握了該型消聲器的聲學(xué)與阻力特性，為消聲器的應(yīng)用與后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 排氣消聲器結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)

排氣消聲器實(shí)體模型及計(jì)算域模型見圖1 與圖2。消聲器為純抗性消聲器，擴(kuò)張腔直徑為1 080 mm，腔體高度2 290 mm，入口直徑325 mm，出口直徑460 mm，整體結(jié)構(gòu)分為3 個(gè)獨(dú)立消聲腔，腔體之間通過1 根或8 根插管連通。

圖1 消聲器實(shí)體模型Fig.1 Model of the muffler

圖2 消聲器計(jì)算域模型Fig.2 Calculation domain model of the muffler

2 消聲器聲學(xué)與流體性能計(jì)算分析

2.1 聲學(xué)計(jì)算

消聲器的聲學(xué)性能可用傳聲損失來表征，傳聲損失指消聲器入口與出口之間的噪聲傳遞衰減量。采用Virtual lab 聲學(xué)有限元方法對(duì)排氣消聲器結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分與聲場(chǎng)計(jì)算，給出排氣消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)分布、進(jìn)出口聲傳遞損失曲線，進(jìn)而給出噪聲控制效果評(píng)估結(jié)果。采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度3～20 mm，網(wǎng)格單元數(shù)為281 萬。

除進(jìn)出口區(qū)域外的所有內(nèi)表面設(shè)置為剛性面，采用AML 方法計(jì)算消聲器進(jìn)出口傳聲損失，AML 方法通過定義出口截面屬性（吸聲面），自動(dòng)獲取進(jìn)出口正向聲波的聲功率，從而計(jì)算其聲傳遞損失。計(jì)算頻率范圍為63～8 000 Hz，計(jì)算頻率為8 個(gè)倍頻程中心頻率。

圖3～圖5 分別為125 Hz，250 Hz 與2 000 Hz 的消聲器聲場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果。可以看到，排氣消聲器在1 000 Hz以下頻率范圍降噪效果顯著，高頻效果較差，符合抗性消聲器的聲學(xué)規(guī)律。

圖3 消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)分布（125 Hz）Fig.3 Distribution of sound field inside the muffler (125 Hz)

圖4 消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)分布（250 Hz）Fig.4 Distribution of sound field inside the muffler (250 Hz)

圖5 消聲器內(nèi)部聲場(chǎng)分布（2000 Hz）Fig.5 Distribution of sound field inside the muffler (2000 Hz)

2.2 流場(chǎng)計(jì)算

采用RNGk?ε湍流模型通過Fluent 軟件進(jìn)行消聲器內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算，邊界條件為入口流量、出口壓力，壁面采用絕熱無滑移邊界。根據(jù)排氣消聲器的工作流量范圍（0～12 000 m3/h），初始邊界條件設(shè)置為：出口靜壓為大氣壓、進(jìn)口流量為工作流量范圍內(nèi)的設(shè)定值。

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為281 萬，網(wǎng)格單元最大尺寸20 mm。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格特點(diǎn)是：只需要存儲(chǔ)各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)及其控制容積的幾何信息，而節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)信息可以由網(wǎng)格編號(hào)的規(guī)律得出，當(dāng)流場(chǎng)分辨率相同時(shí)，這一優(yōu)點(diǎn)使采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的計(jì)算量小得多。

在消聲器計(jì)算中以進(jìn)口壓力為監(jiān)控對(duì)象，在計(jì)算前處理中就設(shè)置消聲器進(jìn)口壓力的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并在計(jì)算過程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)其隨計(jì)算時(shí)間步的變化。當(dāng)進(jìn)口壓力不再隨計(jì)算時(shí)間步變化或其變化量小于1%且進(jìn)出口流量的差別在1%以內(nèi)時(shí)，即認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。為了加快收斂速度，離散算法選用Simplec 算法，離散格式先選為一階迎風(fēng)格式，達(dá)到收斂時(shí)再選為二階迎風(fēng)格式，這種設(shè)置不但加快收斂速度，而且能提高計(jì)算的精度。

消聲器內(nèi)部速度矢量分布如圖6 所示，消聲器在不同流速條件下的速度場(chǎng)分布如圖7～圖9 所示。

圖6 消聲器內(nèi)部速度矢量分布Fig.6 Velocity vector distribution inside the muffler

圖7 消聲器內(nèi)部流速分布（5 m/s）Fig.7 velocity distribution inside the muffler (5 m/s)

圖8 消聲器內(nèi)部流速分布（20 m/s）Fig.8 Velocity distribution inside the muffler (20 m/s)

圖9 消聲器內(nèi)部流速分布（40 m/s）Fig.9 Velocity distribution inside the muffler (40 m/s)

3 試驗(yàn)測(cè)試

采用CB/T 3 339-2001 《船用柴油機(jī)排氣消聲器測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)排氣消聲器的插入損失進(jìn)行測(cè)試。消聲器測(cè)試臺(tái)架如圖10 所示，高壓離心風(fēng)機(jī)提供氣流驅(qū)動(dòng)，將高壓離心風(fēng)機(jī)安裝在消聲室外以避免風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)測(cè)試的影響，管道聲源安裝在風(fēng)機(jī)與消聲器之間，測(cè)試管道直徑300 mm，管壁厚2.5 mm，管道中心軸線距地面1.3 m，管道總長(zhǎng)約12 m，測(cè)點(diǎn)布置在半消聲室內(nèi)距管口約1 m 處。通過變頻裝置控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)管道流量，測(cè)試系統(tǒng)由Pulse 信號(hào)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、傳聲器、離心風(fēng)機(jī)、變徑管道、測(cè)試管道、聲源箱與被測(cè)消聲器等組成，測(cè)試頻率范圍63～8 000 Hz。

圖10 消聲器測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of the muffler test system

1）插入損失測(cè)試

被測(cè)元件的插入損失TL，按下式計(jì)算：

上述2 個(gè)步驟中應(yīng)保證聲源發(fā)出的聲信號(hào)功率譜一樣，測(cè)試裝置和測(cè)試環(huán)境也應(yīng)保持一致。

2）阻力損失測(cè)試

被測(cè)元件的阻力損失?pt，按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：?ps為被測(cè)元件上游與下游管路的靜壓差，Pa；v為上游測(cè)試管道內(nèi)風(fēng)速，m/s；S1和S2為上游與下游測(cè)試管道截面積。

被測(cè)消聲器測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)與傳聲器測(cè)點(diǎn)布置如圖11 和圖12 所示。

圖11 消聲器測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 The test site of muffler

圖12 傳聲器測(cè)點(diǎn)布置Fig.12 Layout of microphone measuring points

4 計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

消聲器插入損失計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1 和圖13所示，二者吻合較好，低頻效果優(yōu)于高頻，高頻仍有較大的改進(jìn)與優(yōu)化的空間。

圖13 消聲器插入損失計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.13 Comparison between the calculation and test results of the muffler insertion loss

表1 排氣消聲器插入損失計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison between calculation and test results of insertion loss of exhaust muffler

消聲器阻力損失計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2 與圖14所示，二者吻合良好。

圖14 消聲器阻力損失計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.14 Comparison between calculation and test results of the muffler resistance loss

表2 消聲器阻力損失計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison between calculation and test results of muffler resistance loss

5 結(jié)語

本文對(duì)某船用發(fā)電機(jī)排氣消聲器的聲學(xué)及氣動(dòng)性能進(jìn)行有限元仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可為船舶主機(jī)排氣消聲器的設(shè)計(jì)優(yōu)化與排氣系統(tǒng)噪聲控制提供參考。