高壓排氣消聲器消聲模擬及其收底部位組織分析

嚴(yán)倪

摘 ?要：為了減小高壓氣源系統(tǒng)排氣放空時(shí)噪聲對(duì)環(huán)境的影響，該文設(shè)計(jì)了一種多級(jí)節(jié)流—小孔噴注高壓排氣消聲器，在結(jié)構(gòu)上采用內(nèi)襯吸聲材料。通過(guò)建模、描繪聲強(qiáng)流線分布等環(huán)節(jié)進(jìn)行聲學(xué)分析，并通過(guò)對(duì)收底部位進(jìn)行金相分析來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果。結(jié)果表明，該消聲器在中高頻段具有優(yōu)良的消聲效果，其收底部位的良好晶粒尺寸能有效避免裂紋產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：高壓消聲器;模擬檢測(cè);消聲效果

中圖分類號(hào)：TB535+.2 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高壓排氣消聲器是一種對(duì)排出的高壓氣體進(jìn)行消聲降噪的裝置。在現(xiàn)代工業(yè)和軍工國(guó)防等領(lǐng)域，隨著對(duì)降噪要求的不斷提高，高壓排氣消聲器需要承受的壓力不斷增加，生產(chǎn)出能夠承受高壓力的排氣消聲器是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的前提和基礎(chǔ)[1]。目前，在國(guó)內(nèi)外對(duì)消聲器的研究中，專利WO2018067321-A1采用纖維材料填充旋轉(zhuǎn)消音器的結(jié)構(gòu) ，Williams等人設(shè)計(jì)了混合反應(yīng)消散式消聲器 [2]，Huang HP等人采用穿孔和吸聲材料填充消聲器[3]，以上研究均取得較好的消聲效果。為進(jìn)一步提高消聲器的消聲效果，該文根據(jù)小孔噴注理論和多級(jí)節(jié)流降壓理論[4-6]，設(shè)計(jì)了一種多級(jí)節(jié)流—小孔噴注高壓排氣消聲器，并以良好綜合性能的304不銹鋼作為內(nèi)襯消聲材料，用UG建立消聲器整體模型，采用用ANSYS軟件進(jìn)行聲學(xué)模擬，并與中空消聲器進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)，對(duì)實(shí)現(xiàn)消聲功能的關(guān)鍵位置——收底部位采用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，查看晶粒尺寸的大小情況，從微觀組織角度檢驗(yàn)其是否滿足消聲要求。

1 消聲器的消聲模擬

1.1 消聲體模型定義及其有限元模型建立

高壓排氣消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立三維結(jié)構(gòu)模型。在建模中做出以下4種假設(shè)。1） 內(nèi)壓力均勻分布在高壓排氣消聲器內(nèi)表面，外壓力均分布在高壓排氣消聲器外表面。2）高壓排氣消聲器材料各向同性。3） 高壓排氣消聲器在徑向和軸向沒(méi)有發(fā)生移動(dòng)。4） 忽略高壓排氣消聲器的自重和內(nèi)部所通氣流的重量。

使用Delany-Bazley模型[6]的基本系數(shù)構(gòu)建域方程，并設(shè)置邊界條件，入口處壓力為35 MPa，采用頻域分析的方法，分析頻率設(shè)定在50 Hz～20 000 Hz。壓力聲學(xué)模型采用線彈性波，內(nèi)部消聲器結(jié)構(gòu)采用多孔Delany-Bazley-Miki聲音材料模型。

通過(guò)一系列的布爾運(yùn)算，將各部分組成為一個(gè)整體，最終獲得整體結(jié)構(gòu)的幾何模型。

1.2 含內(nèi)襯吸聲材料消聲器的聲學(xué)性能分析

按照?qǐng)D1對(duì)含內(nèi)襯的高壓排氣消聲器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格一般受結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算精度的影響，為了保證精度，應(yīng)當(dāng)在小孔和薄壁結(jié)構(gòu)處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。為了保證計(jì)算的速度，需要盡量使用規(guī)則網(wǎng)格進(jìn)行單元的劃分，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行自由劃分，長(zhǎng)度方向按0.1 m的大小劃分網(wǎng)格，圓面方向按0.05 m的大小劃分網(wǎng)格。圖1為在50 Hz～20 000 Hz內(nèi)6個(gè)典型頻率（100 Hz、1 000 Hz、3 000 Hz、6 000 Hz、12 000 Hz、16 000 Hz）下的聲強(qiáng)流線分布圖，其中流線代表局部速度。由圖1可見(jiàn)，在低頻及中低頻處流線能量方向一致、數(shù)量多，且聲壓強(qiáng)度從入口處的4.5×106 Pa驟降到消聲棉部分的0.5×106 Pa，說(shuō)明內(nèi)襯吸聲材料在低頻及中低頻處發(fā)揮了很好的消聲作用。而多級(jí)消聲體內(nèi)的速度下降不明顯，且能量流并不散亂，證明多級(jí)消聲體在該頻率范圍內(nèi)發(fā)揮的作用不大。在中頻到高頻的范圍，隨著頻率的升高，速度總體逐漸變慢，且能量流方向逐漸趨于雜亂，聲壓強(qiáng)度從基本維持在0.5×107 Pa，說(shuō)明在該頻率處多級(jí)消聲體發(fā)揮了很大的消聲作用。依靠多級(jí)消聲體分散能量流，再經(jīng)消聲棉進(jìn)一步消聲，逐步散耗能量以達(dá)到消聲的效果。

2 消聲器殼體收底部位金相組織分析

高壓排氣消聲器殼體收底完成后，對(duì)收底部位進(jìn)行組織觀察，因?yàn)槭盏撞课皇切龎撼尚?，因此，要取不同半徑上的點(diǎn)。取4個(gè)部位，觀察截面金相組織，研究熱成型對(duì)微觀組織的影響。晶粒度差別不大，但是由于各部位塑性變形情況不同，加上翻板旋壓摩擦也會(huì)產(chǎn)生較大熱量，因此晶粒尺寸隨著變形量的增加而變大。

對(duì)比GB/T 6394—2002《金屬晶粒度評(píng)定圖譜》，原始組織和封口組織晶粒度等級(jí)分別為有孿晶晶粒等級(jí)中的5級(jí)和1級(jí)，晶粒在熱成型后明顯長(zhǎng)大，判定溫度對(duì)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大有很大作用。鍛態(tài)試樣在高溫下保溫2h后進(jìn)行固溶處理，通過(guò)金相觀察發(fā)現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)間保溫下，晶粒長(zhǎng)大臨界溫度為1 175 ℃。隨著溫度的不斷升高，碳化物在晶界上聚集長(zhǎng)大，當(dāng)溫度持續(xù)升高時(shí)，碳化物逐漸溶解，不能釘扎晶界，有長(zhǎng)大趨勢(shì)大的晶粒便會(huì)擇優(yōu)長(zhǎng)大，形成混晶。

對(duì)消聲器殼體的收底部位進(jìn)行金相組織分析，對(duì)比可以看出， 晶粒度差別不大，晶粒尺寸大小與消聲設(shè)計(jì)要求基本一致。但由于各部位塑性變形情況不同，加上翻板旋壓摩擦也產(chǎn)生較大熱量，因此晶粒尺寸隨著變形量的增加而略微變大，但總體均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

首先，加入內(nèi)襯吸聲材料后的高壓排氣消聲器，總體上在各頻段的消聲能力都較中空高壓排氣消聲器有所提升，而且彌補(bǔ)了在衰減驟降處無(wú)法有效消聲的缺點(diǎn)，且消聲能力最好的頻段在高頻段。其次，對(duì)殼體收底部位進(jìn)行晶粒尺寸分析發(fā)現(xiàn)，各部位的晶粒度差別較小，但因各部位塑性變形情況不同，晶粒尺寸隨著變形量的增加而略微增大，但晶粒尺寸均滿足設(shè)計(jì)要求，其細(xì)小晶粒有助于避免消聲器在排氣過(guò)程中，因溫度降低或受到外力作用產(chǎn)生裂紋或其他形式的失效。

參考文獻(xiàn)

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[2]Williams P， Kirby R. Reducing low frequency tonal noise in large ducts using a hybrid reactive-dissipative silencer[J]. Applied Acoustics，2018（2）：61-69.

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