基于CFD和聲學(xué)有限元法的抗性消聲器性能研究

陳慶光，李　鳳

（山東科技大學(xué)　機(jī)械電子工程學(xué)院，山東　青島266590）

基于CFD和聲學(xué)有限元法的抗性消聲器性能研究

陳慶光，李鳳

（山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島266590）

空氣動(dòng)力學(xué)性能和聲學(xué)性能是用來評(píng)價(jià)抗性消聲器優(yōu)劣的主要指標(biāo)。針對(duì)管道消聲中常用的抗性消聲器，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法模擬三種不同結(jié)構(gòu)抗性消聲器內(nèi)部流場(chǎng)的壓強(qiáng)分布特性，獲得抗性消聲器的壓力損失，并與半經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析不同結(jié)構(gòu)抗性消聲器的空氣動(dòng)力學(xué)性能以及半經(jīng)驗(yàn)公式法的適用性；利用聲學(xué)有限元方法對(duì)三種結(jié)構(gòu)抗性消聲器的傳遞損失進(jìn)行計(jì)算，定性地分析和驗(yàn)證三種抗性消聲器的聲學(xué)性能。研究結(jié)果可為抗性消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和綜合性能的提高提供參考。

聲學(xué)；抗性消聲器；壓力損失；傳遞損失；CFD；聲學(xué)有限元方法

空氣動(dòng)力學(xué)性能、聲學(xué)性能和機(jī)械性能是評(píng)價(jià)消聲器性能優(yōu)劣的三個(gè)常用指標(biāo)。消聲器的空氣動(dòng)力學(xué)性能和聲學(xué)性能的兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)——壓力損失和傳遞損失，往往是相互影響的。傳遞損失反映的是消聲器對(duì)噪聲的削弱程度，而在增加消聲器傳遞損失的同時(shí)，往往會(huì)使消聲器的壓力損失同時(shí)增大，從而導(dǎo)致功率損失的增大。因此，在消聲器設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮兩者的相互影響，在提高消聲器傳遞損失的同時(shí)，盡可能地控制壓力損失，這有利于提高消聲器的綜合性能。

本文分別利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）和聲學(xué)有限元法對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)的抗性消聲器的壓力損失和傳遞損失進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過數(shù)值模擬結(jié)果與半經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)抗性消聲器性能的優(yōu)劣，分析半經(jīng)驗(yàn)公式法的適用性。研究結(jié)果不僅對(duì)抗性消聲器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，而且對(duì)提高抗性消聲器的綜合性能也具有一定的指導(dǎo)意義。

1　研究對(duì)象及計(jì)算參數(shù)

對(duì)于抗性消聲器來說，無論其結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，一般都是由擴(kuò)張室、內(nèi)插管和穿孔管等基本抗性消聲器組合而成的。在設(shè)計(jì)抗性消聲器時(shí)，通常是根據(jù)實(shí)際需要將一種或幾種基本抗性消聲器進(jìn)行組合，形成滿足性能要求的消聲器。選取的研究對(duì)象為典型擴(kuò)張室消聲器、帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器和穿孔管消聲器3種，其結(jié)構(gòu)及尺寸分別如圖1（a）—圖1（c）所示。

所涉及的消聲器壓力損失和傳遞損失的計(jì)算均以空氣作為入口流體，模擬溫度為20℃，取空氣密度ρ=1.225 kg/m3，空氣動(dòng)力粘度μ=1.789 4×105Pa?s，消聲器出口的相對(duì)壓強(qiáng)為0 Pa，消聲器壁面材料為厚度5 mm的Q 235-A。消聲器入口風(fēng)量Q= 2 543.4 m3/h，即入口平均速度V=22.5 m/s。

2　抗性消聲器的壓力損失計(jì)算

2.1 CFD數(shù)值計(jì)算

抗性消聲器流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算包括三維建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件確定、湍流模型的選取、數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)后處理等過程［1］。在對(duì)消聲器的數(shù)值模擬過程中，未考慮消聲器內(nèi)部流體傳熱的影響，重點(diǎn)研究常溫下消聲器傳遞損失的變化規(guī)律。運(yùn)用商業(yè)軟件ANSYS 14.0中的FLUENT 14.0模塊分別對(duì)上述三種消聲器進(jìn)行流場(chǎng)分析。設(shè)置入口邊界條件為速度進(jìn)口條件，進(jìn)口平均速度為V=22.5 m/s，出口為壓力出口條件，計(jì)算采用SIMPLE算法，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬湍流流動(dòng)。圖2（a）—（c）分別為CFD模擬得到的三種抗性消聲器的進(jìn)出口靜壓散點(diǎn)圖。

當(dāng)消聲器的進(jìn)、出口截面積相同，且氣流平均速度相同時(shí)，消聲器的壓力損失就等于消聲器進(jìn)、出口端之間氣體平均靜壓的降低量［2］。由CFD數(shù)值模擬結(jié)果可分別計(jì)算出上述3種消聲器的壓力損失。

2.2半經(jīng)驗(yàn)公式法

根據(jù)流體力學(xué)原理，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算消聲器的壓力損失時(shí)，需要分別計(jì)算出摩擦阻力損失和局部阻力損失，兩者之和即為消聲器的壓力損失值［3］。式（1）和式（2）分別是摩擦阻力損失和局部阻力損失計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式［4］。

式中Δpλ——摩擦阻力損失，Pa；

λ——摩擦阻力損失系數(shù)；

l——消聲器的長度，m；

deq——消聲器內(nèi)部通道等效直徑，m；

ρ——?dú)怏w密度，kg/m3；

V——?dú)怏w流速，m/s。

式中Δpε——局部阻力損失，Pa；

ε——局部阻力損失系數(shù)。

2.3計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由CFD方法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到的抗性消聲器壓力損失對(duì)比如表1所示。

表1　抗性消聲器壓力損失對(duì)比　單位：Pa

圖1　三種基本抗性消聲器示意圖（單位：mm）

圖2　三種基本抗性消聲器進(jìn)出口靜壓散點(diǎn)圖

由表1中的數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，典型擴(kuò)張室消聲器的壓力損失遠(yuǎn)大于帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器和穿孔管消聲器，而且前者還存在消聲量為0的通過頻率，所以在設(shè)計(jì)抗性消聲器時(shí)盡量不使用典型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張室消聲器；在相同的外形尺寸條件下，穿孔管消聲器的壓力損失最小，其次是帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器，且兩者的壓力損失都在100 Pa以內(nèi)。由于帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器相對(duì)于穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，制造加工、維修清理方便，成本也比較低，且穿孔管消聲器的特殊結(jié)構(gòu)在某些情況下還容易造成穿孔的堵塞。所以在設(shè)計(jì)抗性消聲器時(shí)，若對(duì)壓力損失沒有嚴(yán)格要求，應(yīng)盡量采用帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器。經(jīng)驗(yàn)公式法適用于對(duì)典型抗性消聲器壓力損失的計(jì)算，而對(duì)于帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器和穿孔管消聲器等較為復(fù)雜消聲器的壓力損失來說，利用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算壓力損失可能存在較大的偏差。

3　抗性消聲器傳遞損失數(shù)值模擬

抗性消聲器的傳遞損失采用基于聲學(xué)有限元法的商用軟件LMS Virtual.Lab Acoustics進(jìn)行數(shù)值模擬。將抗性消聲器的三維幾何模型導(dǎo)入LMS Virtual.Lab Meshing模塊中劃分聲學(xué)網(wǎng)格，再將聲學(xué)網(wǎng)格導(dǎo)入聲學(xué)有限元模塊，生成聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格［5］；定義流體為空氣，密度為1.225 kg/m3；定義出口為無反射邊界條件，空氣的聲阻抗為416.5 kg/（m2·s）。利用聲學(xué)有限元方法計(jì)算得到的前述3種抗性消聲器的傳遞損失曲線如圖3（a）—圖3（c）所示。

從圖3（a）中可以看出，在某些頻率上，典型擴(kuò)張室消聲器的最大傳遞損失為12 Pa～16 Pa，但是也存在傳遞損失小于零的頻率，這些頻率即為單腔擴(kuò)張室消聲器的通過頻率，在這些頻率處消聲器不具有消聲作用。由此也驗(yàn)證了普通單腔擴(kuò)張室消聲器存在通過頻率這一缺陷。

由圖3（b）中可以看出，帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器的傳遞損失幾乎都大于零，且在某些頻率的最大傳遞損失達(dá)到28 Pa，但波動(dòng)較大。與典型擴(kuò)張室消聲器相比，帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器不僅基本解決了通過頻率的問題，還顯著提高了其消聲性能。

由圖3（c）中可以看出，穿孔管消聲器的傳遞損失在整個(gè)消聲頻帶上都保持在79 Pa～137 Pa之間，而且在高頻段也有較高的傳遞損失，這不僅說明穿孔管消聲器比典型擴(kuò)張室消聲器和帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器的消聲性能好而且更為穩(wěn)定，同時(shí)也驗(yàn)證了穿孔管消聲器在高頻段也具有良好的消聲效果［6］，彌補(bǔ)了一般的抗性消聲器僅對(duì)降低中低頻噪聲有效的缺陷。

4　結(jié)語

通過對(duì)3種具有不同結(jié)構(gòu)的抗性消聲器性能的數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算和對(duì)比分析，得到以下主要結(jié)論：

（1）典型擴(kuò)張室消聲器的壓力損失遠(yuǎn)大于帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器和穿孔管消聲器，傳遞損失又比帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器和穿孔管消聲器小得多，而且還存在消聲量為0的通過頻率，所以在設(shè)計(jì)抗性消聲器時(shí)應(yīng)盡量不采用典型結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張室消聲器；

（2）在外形結(jié)構(gòu)相同時(shí)，帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器和穿孔管消聲器的壓力損失相差不大，且都比較小，而帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器相對(duì)于穿孔管消聲器結(jié)構(gòu)具有更好的機(jī)械性能。所以，設(shè)計(jì)抗性消聲器時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先采用帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器；

（3）穿孔管消聲器的消聲性能明顯優(yōu)于帶內(nèi)插管的擴(kuò)張室消聲器，而且在高頻段也具有良好的消聲效果。因此，當(dāng)在寬頻段上對(duì)消聲器聲學(xué)性能要求較高的情況下，可以考慮選用穿孔管消聲器。

圖3　三種基本抗性消聲器傳遞損失曲線

［1］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.1-158.

［2］畢嶸.復(fù)合式消聲器聲學(xué)特性的分析方法和實(shí)驗(yàn)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

［3］胡效東.基于CFD仿真和實(shí)驗(yàn)的抗性消聲器研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

［4］馬家義.消聲器內(nèi)部流場(chǎng)聲學(xué)特性研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2005.

［5］張曉龍，李功宇.擴(kuò)張式消聲器消聲特性理論研究和實(shí)驗(yàn)分析［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2008，28（1）：105-107.

［6］Iljae Lee，Kyungwon Jeon，Jaebyung Park.The effect of leakage on the acoustic performance of reactive silencers ［J］.AppliedAcoustics，2013，74（4）:479-484.

Study on Performances of Reactive Muffler Based on CFD and Acoustic Finite Element Methods

CHEN Qing-guang，LI Feng
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong China）

Reactive mufflers are generally evaluated by their aerodynamic performance and acoustical performance.In this paper，the CFD method was used to simulate the pressure distributions in the flow fields of three specified reactive mufflers with different structures.The pressure losses for the three mufflers were obtained.The results were compared with those by the semi-empirical formula.The aerodynamic performances of the three reactive mufflers were analyzed，and the suitability of the semi-empirical formula was evaluated.The AFEM（acoustic finite element method）was applied to calculating the transmission losses of the three reactive mufflers，and their acoustic performances were qualitatively analyzed and verified.This study provides helpful references for the structural optimization design and the performance improvement for reactive mufflers.

acoustics；reactive muffler；pressure loss；transmission loss；CFD；acoustic finite element method

TB535

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.034

1006-1355（2015）05-0164-03+216

2014－07－05

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2013EEM017）；中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)研究指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目（MTKJ 2011-366）

陳慶光（1969－），男，山東莒南縣人，博士、教授、博士生導(dǎo)師，主要從事流體機(jī)械及工程、噪聲與振動(dòng)控制、流固耦合計(jì)算與分析等方面的教學(xué)和研究工作。

E-mail:chenqingguang03@tsinghua.org.cn