蘇勝利，汪 利，盧兆剛，魯民月

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢430064)

雙級膨脹腔消聲器聲學(xué)與阻力特性的CFD仿真分析

蘇勝利，汪 利，盧兆剛，魯民月

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢430064)

使用二維軸對稱時(shí)域CFD法計(jì)算雙級膨脹腔消聲器在無流和有流條件下的聲衰減性能，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比較。由于時(shí)域方法在計(jì)算中可以考慮復(fù)雜氣流流動(dòng)和介質(zhì)粘性的影響，因而可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測雙級膨脹腔消聲器的傳遞損失。基于定常流動(dòng)模型，使用Fluent軟件預(yù)測雙級膨脹腔消聲器的壓力損失，CFD計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合良好。

聲學(xué)；抗性消聲器；傳遞損失；壓力損失；CFD；數(shù)值模擬

Middelberg等[4]應(yīng)用二維軸對稱時(shí)域方法計(jì)算了無流時(shí)單、雙級膨脹腔消聲器的傳遞損失，其預(yù)測結(jié)果與文獻(xiàn)中發(fā)表的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。Broatch等[5]提出了一種基于CFD模擬脈沖測試技術(shù)的三維時(shí)域方法，計(jì)算了簡單膨脹腔和回流消聲器的傳遞損失。無流情況下，兩種結(jié)構(gòu)消聲器傳遞損失的時(shí)域法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果、有限元法計(jì)算結(jié)果吻合較好。然而有流時(shí)(M=0.07)回流消聲器傳遞損失的時(shí)域法計(jì)算結(jié)果沒有得到驗(yàn)證。通過對文獻(xiàn)[5]中的時(shí)域方法進(jìn)行改進(jìn)，徐航手等[6,7]發(fā)展了一種新的三維時(shí)域CFD方法，只需要進(jìn)行一次數(shù)值計(jì)算即可求出消聲器的傳遞損失。并且應(yīng)用該時(shí)域方法預(yù)測了外插進(jìn)出口管膨脹腔、全穿孔和部分穿孔的直通穿孔管消聲器和共振器的傳遞損失。靜態(tài)介質(zhì)中，時(shí)域法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果、有限元法計(jì)算結(jié)果吻合較好。有氣流流動(dòng)時(shí)，三維時(shí)域法的計(jì)算精度不夠理想。文獻(xiàn)[8]使用三維CFD時(shí)域方法計(jì)算了某復(fù)雜腔體的四極子矩陣，并結(jié)合管道末端聲學(xué)邊界計(jì)算了靜態(tài)介質(zhì)中該腔體的消聲量，時(shí)域法結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好。此外，使用該方法討論了均勻流對該腔體聲學(xué)性能的影響。

本文的主要目的是應(yīng)用時(shí)域CFD方法研究雙級膨脹腔消聲器在靜態(tài)和流動(dòng)介質(zhì)中的聲衰減性能，并與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行比較以驗(yàn)證該方法的計(jì)算精度。同時(shí)基于CFD理論，使用Fluent軟件預(yù)測雙級膨脹腔消聲器的阻力損失，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

1 時(shí)域法計(jì)算原理

時(shí)域CFD法的計(jì)算模型如圖1所示，消聲器內(nèi)介質(zhì)為靜態(tài)時(shí)傳遞損失計(jì)算的總體過程為：首先在消聲器兩端接很長的直管，并在上下游管道適當(dāng)位置布置兩個(gè)壓力監(jiān)視點(diǎn)；接著在上游管道的進(jìn)口處施加持續(xù)時(shí)間很短的脈沖信號，通過非定常計(jì)算獲得兩個(gè)監(jiān)視點(diǎn)處壓力的時(shí)域變化歷程；然后去除上下游壓力監(jiān)視點(diǎn)中由于反射帶來的干擾信號，得到單獨(dú)的入射和透射聲壓信號；最后通過快速傅里葉變換得到入射和透射聲壓頻譜，進(jìn)而計(jì)算出消聲器的傳遞損失。經(jīng)過多次嘗試計(jì)算后發(fā)現(xiàn)為了得到合理的結(jié)果，進(jìn)出口管道長度應(yīng)大于消聲器長度的15倍。上下游壓力監(jiān)視點(diǎn)位置的選擇是根據(jù)Singh和Katra[9]提出的方法確定的。

采用時(shí)域CFD法計(jì)算介質(zhì)為流動(dòng)狀態(tài)下消聲器的傳遞損失時(shí)，施加脈沖信號后上下游監(jiān)測點(diǎn)記錄的壓力值是包含聲信號的流場壓力值。為此，需要在不施加脈沖信號的條件下對該模型重新計(jì)算，并在相同的位置設(shè)置壓力監(jiān)視點(diǎn)，記錄壓力隨時(shí)間的變化歷程。同一監(jiān)測點(diǎn)兩次非定常計(jì)算的時(shí)域壓力值相減之后，就可以得到該監(jiān)測點(diǎn)處的脈沖信號及其反射信號。接著采用相同的信號處理方法，就可以得到流動(dòng)介質(zhì)中消聲器的傳遞損失。

使用Fluent軟件作為計(jì)算工具，工作介質(zhì)為空氣，密度滿足理想氣體定律。進(jìn)口邊界條件為質(zhì)量流量進(jìn)口，將脈沖信號疊加在恒定的質(zhì)量流量基礎(chǔ)上。出口邊界設(shè)定為壓力出口，出口壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。壁面處設(shè)置為絕熱無滑移邊界條件。

為了減少計(jì)算時(shí)間，考慮到雙級膨脹腔消聲器結(jié)構(gòu)的對稱特性，本文將采用二維軸對稱結(jié)構(gòu)計(jì)算消聲器的聲學(xué)性能。使用邊長Δx=10 mm的四邊形網(wǎng)格離散模型，根據(jù)CFL條件得到時(shí)間步長為Δt= 25 μs，對應(yīng)的采樣頻率為fs=40 000 Hz，遠(yuǎn)大于脈沖信號中最高頻率的2倍，為此滿足采樣定律。

2 結(jié)果與分析

2.1 聲學(xué)性能

雙級膨脹腔消聲器的結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。圖3比較了介質(zhì)為靜態(tài)時(shí)消聲器傳遞損失的時(shí)域法計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[10]。由圖可知，頻率在100～600 Hz范圍內(nèi)，時(shí)域法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。頻率在100 Hz以下，由于聲波波長遠(yuǎn)大于消聲器上游或下游兩個(gè)傳感器之間的間距，使得兩個(gè)傳聲器之間測得的聲壓信號比較相似，造成傳遞損失有較大誤差。

圖2 雙級膨脹腔消聲器結(jié)構(gòu)及尺寸(單位：mm)

圖3 傳遞損失結(jié)果比較(v=0 m/s,T=313 K)

圖4為流速v=18.3 m/s,溫度T=323 K時(shí)，消聲器傳遞損失的時(shí)域法和實(shí)驗(yàn)[9]結(jié)果比較。由圖4可知，在所考慮的頻率范圍內(nèi)時(shí)域法計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好。頻率在80 Hz左右，時(shí)域法得到的傳遞損失出現(xiàn)負(fù)值，這是因?yàn)樵谟?jì)算中氣流流動(dòng)產(chǎn)生的流噪聲所致。在有流狀態(tài)下測量消聲器的傳遞損失時(shí)，對采集的聲壓信號進(jìn)行指數(shù)平均1 000次，用于消除信號中的噪聲成分。而本文出于對計(jì)算時(shí)間的考慮，在模擬計(jì)算時(shí)沒有對壓力監(jiān)測點(diǎn)處記錄的信號進(jìn)行平均處理。實(shí)驗(yàn)中氣流流過消聲器時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生氣流再生噪聲，提高背景噪聲的聲壓級，降低信噪比以及氣流流動(dòng)引起管壁振動(dòng)產(chǎn)生的偽聲信號都會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。對比圖3和4中的傳遞損失曲線可以看出，有流時(shí)通帶頻率處的聲衰減有所增加，這是由于空氣流動(dòng)的壓縮和摩擦作用使得介質(zhì)的粘性增加所致。

圖4 傳遞損失結(jié)果比較(v=18.3 m/s,T=323 K

圖5比較了v=37.4 m/s,T=323 K時(shí)消聲器傳遞損失的時(shí)域法計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[9]?？梢钥闯觯瑫r(shí)域法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，兩者之間差異的原因與圖4中的分析相同。比較圖4和5可知，隨著氣流速度的增加，消聲器的傳遞損失曲線稍稍向低頻方向移動(dòng)，這歸結(jié)于介質(zhì)的運(yùn)流效應(yīng)。

圖5 傳遞損失結(jié)果比較(v=37.4 m/s，T=323 K)

2.2 空氣動(dòng)力性能

計(jì)算消聲器的壓力損失時(shí)，建立消聲器的三維完整模型，采用邊長Δx=10 mm的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分?？紤]到消聲器內(nèi)氣流流速不超過0.3 Ma，空氣介質(zhì)視為不可壓縮流體。消聲器進(jìn)口設(shè)為速度入口邊界條件；出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；壁面設(shè)為固壁無滑移邊界條件。

表1比較了雙級膨脹腔消聲器壓力損失的Fluent計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。由對比可知，仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合良好。壓力損失測量實(shí)驗(yàn)中，氣體流速越高，風(fēng)機(jī)流量越難以精確控制，U型管內(nèi)的水柱較難穩(wěn)定，進(jìn)而影響測量結(jié)果的精度。

表1 阻力損失結(jié)果比較

3 結(jié)語

將二維軸對稱時(shí)域CFD法應(yīng)用于計(jì)算介質(zhì)為靜止和流動(dòng)狀態(tài)下雙級膨脹腔消聲器的傳遞損失，在所關(guān)心的頻率范圍內(nèi)時(shí)域CFD法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好。由于時(shí)域方法可以考慮復(fù)雜氣體流動(dòng)和介質(zhì)粘性的影響，因而計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確?；诙ǔＡ鲃?dòng)理論，使用Fluent軟件計(jì)算了雙級膨脹腔消聲器的壓力損失，預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合良好。研究表明，CFD方法不僅可以用于精確計(jì)算抗性消聲器的壓力損失和流場分析，還可以較為精確地預(yù)測有流條件下消聲器的消聲特性，成為消聲器設(shè)計(jì)和性能分析的有效方法。

[1]Selamet A,Denia F D,Besa A J.Acoustic behavior of circular dual-chamber mufflers[J].Journal of Sound and Vibration,2003,265(5):967-985.

[2]黃繼嗣，季振林.同軸抗性消聲器聲學(xué)和阻力特性的數(shù)值計(jì)算與分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2006，26(5)：91-95.

[3]JI Z L.Acoustic attenuation performance analysis of multichamber reactive silencers[J].Journal of Sound and Vibration,2005,283(1-2):459-466.

[4]Middelberg J M,Barber T J,Leong S S,et al.Computational fluid dynamics analysis of the acoustic performanceofvarioussimpleexpansionchamber mufflers[A].Proceedings of Acoustics 2004,Australia, 2004.

[5]Broatch A,Margot X,Gil A,et al.A CFD approach to the computation of the acoustic response of exhaust mufflers [J].Journal of Computational Acoustics,2005,13(2):301-316.

[6]徐航手，季振林，康鐘緒.抗性消聲器傳遞損失預(yù)測的三維時(shí)域計(jì)算方法[J].振動(dòng)與沖擊，2010，29(4)：107-110.

[7]JI Z L,XU H S,KANG Z X.Influence of mean flow on acousticattenuationperformanceofstraight-through perforated tube reactive silencers and resonators[J].Noise Control Engineering Journal,2010,58(1):12-17.

[8]劉聯(lián)鋆，郝志勇，鄭 旭.復(fù)雜腔體四極子矩陣的三維CFD計(jì)算方法[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2013，26(2)：298-302.

[9]Singh R,Katra T.Development of an impulse technique for measurement of muffler characteristics[J].Journal of Sound and Vibration,1978,56(2):279-298.

[10]王雪仁.船用柴油機(jī)排氣消聲器聲學(xué)性能預(yù)測的邊界元法及實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

SimulativeAnalysis ofAcousticAttenuation and Flow Resistance Characteristics of a Double Expansion Chamber Silencer Using CFDApproach

SU Sheng-li,WANG Li,LU Zhao-gan,LU Min-yue

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China)

The axisymmetric time-domain CFD method is employed to calculate the acoustic attenuation performance of a double expansion chamber silencer without and with air flow.The prediction results are compared with the experimental measurement data.Since the influences of complex gas flow and viscosity on the sound propagation and attenuation inside the silencer are included in the time-domain CFD simulation,the time-domain CFD method can accurately predict the transmission loss of the double expansion chamber silencer.Finally,the pressure drops of the double expansion chamber silencer are calculated by means of Fluent code based on the steady flow model.The CFD predictions are found to agree well with the experimental results.

acoustics;reactive silencer;transmission loss;pressure loss;CFD;numerical simulation

1006-1355(2014)03-0195-03

TB535+.2

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.03.041

雙級膨脹腔消聲器在平面波范圍內(nèi)具有較少的通帶數(shù)量和更高的聲衰減，因而廣泛用于降低大功率內(nèi)燃機(jī)的排氣噪聲。Selamet[1]等使用基于模態(tài)匹配技術(shù)的二維軸對稱解析方法計(jì)算了雙級膨脹腔消聲器的傳遞損失，解析方法計(jì)算結(jié)果與有限元法計(jì)算結(jié)果、實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好。此外，還研究了消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對聲衰減性能的影響。文獻(xiàn)[2]、[3]使用三維數(shù)值方法分別預(yù)測了單腔、多腔抗性消聲器的聲衰減性能，并且討論了消聲器結(jié)構(gòu)對其聲學(xué)性能的影響。然而，以上研究都是在靜態(tài)介質(zhì)條件下進(jìn)行的，沒有考慮氣體流動(dòng)的影響。為此，本文使用時(shí)域CFD方法研究雙級膨脹腔消聲器在無流和有流條件下的消聲特性。

2013-07-26

蘇勝利(1983-)，男，浙江溫州人，工程師。主要研究方向?yàn)榕灤瑒?dòng)力裝置振動(dòng)噪聲控制。

E-mail:sushenli@163.com