通風管道彎頭加裝導流片對流噪聲的影響

摘要：針對空調通風系統部件彎頭流噪聲問題，以管道出口處的流噪聲為分析對象，基于有限元方法研究通風管道彎頭內布置導流片對管道內部流場及出口流噪聲的影響，探明導流片形狀及數量參數的作用規律。模擬分析結果表明：管道出口處的流噪聲是由于管道中湍流產生的漩渦以及壓力脈動所產生的，加裝直導流片反而會使出口流噪聲增大，而弧形導流片可以起到穩流的作用，能減少壁面的漩渦結構和大小，減小脈動壓力強度，降低出口流噪聲的聲壓級水平；隨著弧形導流片數量增加，出口流噪聲的聲壓級下降明顯。

關鍵詞：空調器；導流片；彎頭；漩渦；湍流；流噪聲

中圖分類號：TB535文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0088-05

Abstract：For the flow noise at the elbow of air conditioning and ventilation system components， with the flow noise at the outlet of the duct taken as the reserch object， the influence of the flow guide sheet arranged inside the elbow of the ventilation duct over the internal flow field and the outlet flow noise is studied based on the finite element method， and the action law of the shape and number parameters of the flow guide sheet is explored. The results show that the flow noise at the outlet of the duct is caused by the vortex and pressure pulsation generated by the turbulent flow in the duct， and the addition of straight deflectors will increase the outlet flow noise， while the curved deflectors can play a role in stabilizing the flow， which reduces the vortex structure and size of the wall， the pulsation pressure intensity， and the sound pressure level of the outlet flow noise. The more the number of curved deflectors increases， the more obviously the sound pressure level of flow noise at the outlet decreases.

Keywords：air conditioner; deflector sheet; elbow; vortex; turbulence; flow noise

0引言

空調通風系統中管道的特點是尺寸大而且復雜，是由許多直管道和彎管所組成的。流體流過彎管是一種比較復雜的現象。在彎管區域，靠近彎管內側的流體具有較高的速度，而靠近彎管外側的流體具有較低的速度，從而會產生比較大的壓力梯度，由于壓力梯度的產生，在流體中產生了一些不平衡的力。比較大的壓力梯度會在流動中產生渦流，這就會增加湍流的水平，從而會導致通風管道的結構振動和流體引起的流噪聲。

目前，國內外一些研究人員對管道內的流場情況進行了大量的研究，并且對管道內的流體特性進行了數值模擬和實驗。通過對管道流噪聲的實驗研究可以得到其內部的傳遞、衰減特性及影響因素的作用規律。考慮到現場采樣等實驗方法受客觀條件限制，難以得到完整的物理信息，故很難從根源上分析流噪聲的機制。研究人員從流場的角度對管道流場進行了研究分析，GAO等［1］研究了在空調通風分流三通中安裝導流葉片的減阻方法，提出了安裝導流葉片的合理位置，優化了導流葉片的形狀，分析了分流三通在不同流速和長徑比下的阻力特性，通過實驗驗證了分流三通的優化效果。JURAEVA等［2］利用數值模擬和實際應用研究了導流板對地鐵隧道內風道均勻流動的影響。結果表明：在地鐵隧道兩側安裝導流板可以獲得均勻的流動。AI等［3］通過數值模擬和實驗研究了5.75m長直管道內部的壓力損失，提出了一種預測壓力損失的數值模擬方法。SUN等［4］通過數值模擬研究了加裝和未加裝導流片的90°彎頭對圓形管道的影響，分析了流場特性，并提出導流葉片應設置在彎管中的最佳位置。CRAWFORD等［5］對90°彎頭中湍流的壓降進行了實驗調查。所有的測量數據表明流動顯示出軸向對稱的特點，與充分發展的管道流動相比，湍流的法向應力分布更加均勻，彎頭曲率的影響是加速管道流動中的漩渦衰減。魏立明等［6］采用數值仿真模擬的方式，對于直板式節流閥閥芯進行數值模擬，得到不同閥孔的壓降曲線、流場曲線、速度變化云圖等。經過定量分析得到恒定流速下直板式節流閥的壓降規律。數值模擬結果表明，在相同的開度下，隨著平板式節流閥閥芯長軸長度的增加，管道截面的最大流速有下降的趨勢，隨著開度從20%增大到40%，壓降的曲線趨于平緩。MODI等［7］在背景噪聲低于30dB（A）情況下，測量了不同流速下管口監測點噪聲頻譜特性。在數值計算方面，MORI等［8］利用計算流體軟件和聲學計算軟件相結合的方法，對空調系統內部流噪聲進行了數值計算研究。WU等［9］通過計算流體動力學（CFD）和計算流體動力聲學（CAA）軟件來模擬分體式空調室內機的空氣動力學和聲學性能，提出了一種可以提高流速但不增加流噪聲的聲壓級優化方法。

目前已經有很多關于減少空調通風管道局部組件的阻力和減少壓力損失的研究，但是還沒有明確的管道系統加裝導流片的聲學優化設計方案。

本文以空調通風管道彎頭作為研究對象，運用Lighthill方程對彎頭出口由氣流所引發的流噪聲源進行分析。采用計算流體力學和聲學有限元聯合仿真的方法，將彎管加裝和未加裝導流片非穩態流場邊界脈動壓力導入聲學有限元網格，轉換為在流場中的等效理論聲源，對彎管內部空間是否加裝導流片的流體自輻射聲場進行數值仿真，為空調通風部件彎頭流噪聲的控制提供設計參考依據。

1氣動聲學理論

1.1Navier-Stokes方程

本文主要通過分析彎管中的壓力分布、速度分布等流場信息研究加裝導流片下彎管的流動行為。采用不可壓縮Navier-Stokes方程來描述流體區域的連續性、動量和能量：

1.2大渦模擬（LES）湍流模型

大渦模擬湍流模型如下所示。

式中：ui和uj為過濾后速度分量；μ為湍流黏度系數；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漩渦黏性模型。

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

1.3FW-H方程

在Lighthill聲類比理論基礎上，推導出FW-H方程：

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彎管流場模擬結果分析

2.1驗證方法的正確性

文獻［10］中對突擴、突縮變截面管道的傳聲特性進行了實驗。實驗工況中空氣流經突變管道時由于湍流產生的流噪聲是唯一的噪聲源，可看作一段存在氣流通過的突擴、突縮變截面管道，這是由于局部構件引起的管道形式突變對流場所產生的影響。

圖1所示為突變管道的結構示意圖。參數為：入口段L1=200mm；出口段L2=500mm；d1=d2=38mm；擴張腔的長度L=280mm；d=200mm。實驗中管道入口流速為45m/s。

對圖1所示物理模型使用ANSYS ICEM進行六面體結構化網格劃分，并且對邊界層進行加密。壁面法向距離的無量綱值y+約為1，網格總數約為70萬。采用RNG k-ε湍流模型通過Fluent軟件進行管道內流場計算，邊界條件為入口速度、出口壓力，壁面采用絕熱無滑移邊界。

Virtual.Lab進行聲學計算時，聲學網格尺寸的劃分依據為聲學模型需要的最大頻率，計算結果的精度需要通過控制最大網格尺寸來實現，可以參考式（7）。

式中：L為單元劃分尺寸，m；

c為當地聲速，m/s；

fmax為需要求解的最大噪聲頻率，Hz。

采用本文的數值模擬方法進行仿真復現。首先在Fluent中進行流場計算，生成格式為CGNS的壓力脈動時域計算結果，導入LMS Virtual.Lab中通過傅里葉變換轉換為頻率邊界條件進行聲場計算。圖2為突變管道出口監測點處的聲壓級頻譜圖和本文通過數值模擬方法所得結果，數值模擬結果與文獻結果在各個頻段上峰值分布幾乎一致，表明數值模擬方法計算管道氣動噪聲的可行性。

2.2彎管及導流片模型

空調通風管道系統路徑長，分布廣，形式復雜，且大多為直管、彎管、T型管和三通等管道形式。管道入口段長度約為2m；出口段的長度約為1.5m；管道的半徑約為200mm；彎頭半徑R=150mm。由于所選彎頭位于空調通風管道主管道，流速較大，管道流速為14m/s，導流片的厚度為5mm，形狀分為弧形導流片和直導流片。模型參數及監測點示意圖如圖3所示。

2.3通風管道管內流場分析

為了分析流體在彎頭流場中的動態信息，分別計算無導流片、弧形導流片和直導流片彎頭的流場分布，如圖4所示。空氣在彎頭中流動的時候，彎頭外側壓力增大，內側壓力減小，導致邊界層與壁面分離形成回流區。軸向通道的截面由壓力分布呈現不同的著色，流線表示瞬時流場的信息。如圖4（a）所示，在無導流片的情況下，氣體流過彎頭，彎頭外壁壓力增大，內側壓力減小，形成壓差，靠近彎頭內壁的一側形成大量的漩渦和較強的脈動壓力。圖4（b）為弧形導流片數量N=1彎管的流線圖。由圖可知在弧形導流片數量N=1的情況下，A截面處沒有弧形導流片的分流作用，徑向截面的漩渦結構較大；B截面由于弧形導流片的作用，流線分布均勻，流場穩定；C截面經過弧形導流片的穩流，減渦作用，所以C截面的漩渦結構減小，漩渦數量降低。由于弧形導流片的作用，彎頭內外壁的壓差減小，彎頭處流場更穩定，流線更均勻，彎頭內壁沒有過多的漩渦。由圖4（c）、圖4（d）可以看出，隨著弧形導流片數量的增多，漩渦的數量減少，所以弧形導流片的數量越多，流場就越穩定。圖4（e）、圖4（f）和圖4（g）分別為直導流片數量為1、2和3的彎頭的流線圖。可以看出直導流片會導致彎管內外壁的壓力差、靠近壁面的脈動壓力和漩渦數量的增加。隨著直導流片數量的增加，漩渦尺度增加，漩渦數量增多，湍流強度和脈動壓力增大。從3種不同數量直導流片彎頭處均可以看出：C截面處的漩渦結構尺度比A截面大，漩渦數量比A截面多，說明直導流片不能起到減渦和優化流場的作用。

3彎管聲場模擬結果分析

建立兩種不同類型的導流片，一種為直導流片，一種為弧形導流片，厚度均為5mm。直導流片的長度為150mm，弧形導流片半徑為150mm。

為了分析和驗證通風管路內部加裝導流葉片的降噪效果，建立7種不同類型的彎頭模型。基于聲學有限元方法（FEM），利用Virtual.Lab軟件對彎頭聲場和出口相同位置處監測點場點進行聲學計算。

3.1導流片的形狀對流噪聲的影響

圖5所示為不同形狀導流片的出口聲壓級。3種不同類型導流片的聲壓級頻率峰值出現在400Hz附近，直導流片彎頭出口處總聲壓級為63dB（A），主要原因為直導流片導致彎頭流場紊亂，湍流強度增大和漩渦增多，彎頭出口處的流噪聲值比無導流片高，弧形導流片由于增加了一個弧形結構，所以弧形導流片彎頭壁面脈動壓力、湍流強度和漩渦大小降低，彎頭出口處的聲壓級水平降低。

3.2導流片的數量對流噪聲的影響

圖6、圖7分別為不同數量直導流片和弧形導流片彎頭出口聲壓級。經過A聲級計權和1/3倍頻程處理后，峰值頻率在400Hz左右。無導流片情況下，彎頭出口總聲壓級為60dB（A）。如圖8所示，直導流片數量N=1，彎頭出口總聲壓級為63dB（A）。總聲壓級增加，說明加裝直導流片會增加彎頭流場漩渦數量和湍流強度，出口流噪聲聲壓級增加；直導流片數量越增加，出口流噪聲聲壓級越大，說明直導流片不能降低彎頭出口流噪聲水平。加裝一個弧形導流片后，彎頭出口總聲壓級為54dB（A），比無導流片彎頭降低6dB（A），說明弧形導流片有降噪效果。由圖7可以看出不同數量弧形導流片彎頭的出口聲壓級頻譜曲線的峰值在400～500Hz，弧形導流片數量N=2時，總聲壓級降低5dB（A）；弧形導流片數量N=3時，出口氣動噪聲聲壓級比無導流片的情況時，下降30dB（A）。由此可以得出如下結論：在管道空間允許的情況，加裝的弧形導流片越多，彎頭出口流噪聲的聲壓級越低。

4結語

本文采用有限元方法分析了不同類型導流片對空調通風系統彎頭對于出口流噪聲的影響，得出如下結論。

1）在無導流片的情況下，當氣體流經彎頭時，彎頭外側壓力增大，內側壓力減小，從而形成壓差，靠近彎頭內壁的一側形成了較多的渦流，產生流噪聲。流噪聲聲壓級的頻率峰值與是否加裝導流片以及導流片的數量無關。

2）加裝直導流片時，導致彎頭外壁的壓力差進一步增大，形成了較多的渦流，出口流噪聲的聲壓級反而提高，且隨著直導流片的增加而提高。

3）相較于直導流片，加裝弧形導流片能夠有效地調節管道內部的流場，降低彎頭處的湍流強度和壓力脈動水平，減小彎管肘部的漩渦數量和大小，降低管道流噪聲，且隨著弧形導流片增加，出口流噪聲的聲壓級降低。

參考文獻：

［1］ GAO R，LIU K K，LI A G，et al. Biomimetic duct tee for reducing the local resistance of a ventilation and air-conditioning system［J］. Building and Environment，2018，129：130-141.

［2］ JURAEVA M，RYU K J，JEONG S H，et al. Influences of the train-wind and air-curtain to reduce the particle concentration inside a subway tunnel［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，2016，52：23-29.

［3］ AI Z T，MAK C M. Pressure losses across multiple fittings in ventilation ducts［J］. The Scientific World Journal，2013，2013：195763.

［4］ SUN T，ZHANG Y，WANG Z Y. Research on flow in 90° curved duct with round section［J］. Physics Procedia，2012，24：692-699.

［5］ CRAWFORD N M，CUNNINGHAM G，SPENCE S W T. An experimental investigation into the pressure drop for turbulent flow in 90° elbow bends［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part E：Journal of Process Mechanical Engineering，2007，221（2）：77-88.

［6］ 魏立明，李偉華，王興義，等. 基于CFD的直板式節流閥壓降特性研究［J］. 機械制造與自動化，2022，51（4）：85-88.

［7］ MODI P P，JAYANTI S. Pressure losses and flow maldistribution in ducts with sharp bends［J］. Chemical Engineering Research and Design，2004，82（3）：321-331.

［8］ MORI M，MASUMOTO T，ISHIHARA K. Study on acoustic，vibration and flow induced noise characteristics of T-shaped pipe with a square cross-section［J］. Applied Acoustics，2017，120：137-147.

［9］ WU C J，WANG X J，TANG H B. Transmission loss prediction on a single-inlet/double-outlet cylindrical expansion-chamber muffler by using the modal meshing approach［J］. Applied Acoustics，2008，69（2）：173-178.

［10］ 楊杰，覃國周，劉萬里. 存在氣流時消聲器傳聲損失的數值計算［J］. 車輛與動力技術，2015（1）：42-46.

收稿日期：20230328

第一作者簡介：王景文（1996—），男，江蘇鎮江人，碩士研究生，研究方向為船舶輪機設備及系統的振動噪聲控制，zachary1631996@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.017