王榮杰,陳虹微

（龍巖學(xué)院 機電系，福建 龍巖364012）

消聲器阻力系數(shù)CFD研究及應(yīng)用

王榮杰,陳虹微

（龍巖學(xué)院 機電系，福建 龍巖364012）

消聲器是一種允許氣流通過而又能控制氣流噪聲的裝置，本文闡述其類型、應(yīng)用和特點，要求消聲器有較好的聲學(xué)性能和空氣動力性能。消聲器的阻力系數(shù)體現(xiàn)消聲器對氣流阻力和壓力損失的大小。利用計算流體力學(xué)（CFD）方法計算阻力系數(shù)，并經(jīng)實驗驗證，證明CFD計算方法在消聲器阻力系數(shù)中的計算可行。以某機械廠生產(chǎn)的叉車消聲器為例，用CFD計算其阻力系數(shù)，分析原設(shè)計中的不足，加以改進，使其阻力系數(shù)降低，提高空氣動力性能。利用阻力系數(shù)來分析消聲器性能，在工程實際中有一定的應(yīng)用價值。

聲學(xué)；消聲器；阻力系數(shù)；壓力損失；CFD

消聲器主要安裝在進、排氣口或氣流通過的管道中。一個性能好的消聲器，可使氣流噪聲降低20～40 dB（A），在噪聲控制中應(yīng)用極為廣泛。消聲器按消聲機理可分為五大類：阻性消聲器、抗性消聲器、微穿孔板消聲器、阻抗復(fù)合型消聲器和擴散消聲器。

1.1 板消聲器的類型和特點

阻性消聲器，氣流通道上安裝吸聲材料，聲波通過吸聲材料產(chǎn)生的摩擦阻力和粘滯作用消耗聲能，降低噪聲，是一種吸收消聲器。阻性消聲器對中、高頻有良好的消聲性能，對低頻消聲性能較差，主要用于控制風(fēng)機等的進、排氣噪聲。

抗性消聲器，是利用聲抗來消聲，沒有吸聲材料，氣流通過管道上截面突變或旁接共振腔時，某些頻率的聲波發(fā)生發(fā)射、干涉等，降低噪聲，它相當(dāng)于一個聲學(xué)濾波器。抗性消聲器對于消除低、中頻的窄帶噪聲效果較好，主要用于消除空壓機的進氣噪聲以及內(nèi)燃機的排氣噪聲等。

阻抗復(fù)合型消聲器，是前二者的組合，既有阻性吸聲材料，又有共振腔、擴張室、穿孔板等聲學(xué)濾波器件。有良好的寬頻帶、高吸收的消聲效果，應(yīng)用廣泛。

微穿孔板消聲器，是利用微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)制成的消聲器。通過選擇微穿孔板上的不同穿孔率與板后的不同腔深，能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果。微穿孔板消聲器阻力損失小，再生噪聲低，消聲頻帶寬，可耐高溫和氣流的沖擊，不怕油霧和蒸汽，可用于超凈化空調(diào)系統(tǒng)以及要求潔凈的場所的消聲。

擴散型消聲器，是從生源上降低噪聲，利用擴散降速、變頻或改變噴注氣流參數(shù)來降低噪聲。有優(yōu)良的寬頻帶消聲特性，主要安裝在鍋爐排汽、高爐防風(fēng)、噴氣式飛機、火箭等消聲。

1.2 消聲器的要求

（1）良好的聲學(xué)性能：要求消聲器有良好的消聲特性，插入損失、傳聲損失要小，減噪量要大。消聲器在一定的流速、溫度、濕度、壓力等工作環(huán)境中，在所要求的頻率范圍內(nèi)應(yīng)有足夠大的消聲量，或在較寬的頻率范圍內(nèi)能滿足需要的消聲量要求；

（2）優(yōu)良的空氣動力性能：要求消聲器對氣流的阻力要小，阻力損失要小，不影響通過氣流的風(fēng)量，不妨礙設(shè)備的正常工作，氣流通過消聲器時所產(chǎn)生的再生噪聲要低；

（3）優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)性能：要求消聲器的空間位置要合理，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、安裝和維修，堅固耐用，應(yīng)注意耐高溫、耐腐蝕、耐潮濕等特殊要求，使用壽命長；

（4）優(yōu)美的外形及裝飾：要求消聲器的外形應(yīng)美觀大方，體積和外形應(yīng)滿足設(shè)備總體布局的限制要求，表面裝飾應(yīng)與設(shè)備總體相協(xié)調(diào)，體現(xiàn)環(huán)保、綠色、節(jié)能產(chǎn)品的特點；

（5）合理的價格費用：要求消聲器要價格便宜，性價比好，經(jīng)久耐用，條件允許的情況下，應(yīng)盡可能保證工作可靠，減少消聲器的材料消耗，以降低費用[14]。

2 消聲器的阻力系數(shù)

對消聲器性能的評價，重點考慮聲學(xué)性能和空氣動力性能二個方面。消聲器的聲學(xué)性能包括消聲聲量的大小和消聲頻率范圍寬窄兩個方面，主要指標有插入損失、傳聲損失、減噪量和衰減量。消聲器的空氣動力性能，反映消聲器對氣流阻力的大小，主要指標是阻力系數(shù)和阻力損失。由于阻力損失在理論和實驗方面研究較多，本文著重闡述阻力系數(shù)，論證其實際工作中的應(yīng)用。

2.1 定義

本文所研究的消聲器阻力系數(shù)并不是常說的流體力學(xué)中的沿程阻力系數(shù)或局部阻力系數(shù)，而是衡量消聲器中壓力損失和動壓大小的一個比值。定義阻力系數(shù)為：氣流通過消聲器前后的壓力損失與動壓之比。它全面反映消聲器對氣流阻力和壓力損失的大小，體現(xiàn)了消聲器的空氣動力性能。由定義知阻力系數(shù)與壓力損失是有關(guān)系的，在反映壓力損失上是一致的。阻力系數(shù)阻力系數(shù)大，壓力損失大。

阻力系數(shù)定義為

式中Δp——壓力損失；

式中ε——修正因子；

pn——某點處的動壓值。

式中N為測量點的個數(shù)；vi為某一個點的速度值，m/s；vm為截面中心處氣流速度值，m/s。

式中ρ——空氣密度；

v——平均空氣速度；

g——重力加速度。

2.2 阻力系數(shù)有關(guān)說明

引入阻力系數(shù)主要是分析消聲器的空氣動力性能?？諝鈩恿π阅芊从诚暺鲗饬髯枇Φ拇笮。饕脡毫p失和阻力系數(shù)來表示。消聲器的壓力損失一般由兩部分組成：一是局部損失；二是沿程損失。局部損失發(fā)生在消聲器內(nèi)收縮、擴張等截面突變處，由于氣流速度因截面變化而變化，導(dǎo)致流體相互碰撞，進一步加劇流體間的相互摩擦，造成損失。沿程損失發(fā)生在氣流通道處，由于消聲器通道壁面摩擦而造成的損失。消聲器的阻力系數(shù)是一個與壓力損失有關(guān)的比值，主要是反映安裝消聲器后輸氣是否通暢，風(fēng)壓有無變化、壓力損失比值多大等。壓力損失重在反映能量的損失大小，而阻力系數(shù)重在說明能量損失占原來能量的比值大小。對于一個特定的消聲器，其阻力系數(shù)是確定的，但如果改變一些與之有關(guān)的參數(shù)，如結(jié)構(gòu)、入口氣流速度等，則會發(fā)生變化。如抗性消聲器的阻力系數(shù)受其穿孔直徑和穿孔率影響較大。由于消聲器的阻力系數(shù)測量很繁瑣，只有在專門設(shè)備上才能測得，在實際中很少這樣做。如果利用計算方法快速得到比較準確的阻力系數(shù)值，借此來分析消聲器的性能，這樣就可避免繁雜的測量工作，而用簡單的計算方法來為消聲器的優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。這也是研究阻力系數(shù)的意義所在。

3 消聲器的阻力系數(shù)CFD計算

CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學(xué)）的簡稱。它是伴隨著計算機技術(shù)、數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的。用以模擬仿真實際的流體流動情況。而其基本原理則是數(shù)值求解控制流體流動的微分方程，得出流體流動的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況?？梢哉J為CFD是現(xiàn)代模擬仿真技術(shù)的一種。CFD通常包含如下幾個主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化。

3.1 模型基礎(chǔ)

為便于計算和分析，對消聲器的工作條件假設(shè)如下：一是氣體流動為定常流動中的流體；二是消聲器物理性能參數(shù)不發(fā)生變化；三是入口速度為勻速；四是不計重力影響。消聲器的物理模型如圖1。

3.2 數(shù)學(xué)模型

[12—13]，控制方程的通用公式為

圖1 消聲器模型圖

式中 φ為通用變量，代表速度、溫度、能量等求解變量；ρ為空氣密度；V為速度矢量；Γ和S分別為與φ相對應(yīng)的廣義擴散系數(shù)及廣義源項，三者對應(yīng)關(guān)系見表1；其中與通用變量對應(yīng)的u、v、w分別為x、y、z三個方向的速度，T為絕對溫度，k為湍流動能，ε為湍流動能耗散率；與廣義擴散系數(shù)對應(yīng)的μ為粘性系數(shù)，μt為湍流粘性系數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，Cu、C1、C2、σε、σT和σk分別為量綱一常數(shù)；與廣義源項對應(yīng)的Su、Sv、和Sw分別為x、y、z三個方向的源項，G為湍流應(yīng)力。

表1 φ、Γ和S對應(yīng)關(guān)系

消聲器的壓力損失為

特定截面的全壓為

各常數(shù)取值如下Cu=0.09,σT=0.95,σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，σε=1.3，g=9.8 m/s2,消聲器的外面空氣流速u=v=w=0。

3.3 基本條件

模型消聲器入口長度L=60 mm，入口直徑D= 50 mm，出口長度L1=60 mm，出口直徑D=50 mm，擴張腔長度L=200 mm，直徑D=100 mm，空氣密度為1.23 kg/m。邊界條件：輸入流體溫度803 K，輸出流體溫度300 K，消聲器材料為Q 235 A，厚度1.5 mm，溫度700 K。

3.4 計算結(jié)果

利用CFD方法將模型的數(shù)值編制成計算機程序上機計算，具體計算過程不闡述，計算結(jié)果見表2。

表2 阻力系數(shù)求解結(jié)果

3.5 實驗驗證

為驗證CFD方法的準確性，參照文獻[15]，實驗驗證方法和結(jié)果不再細述，計算值整體小于測量值。但這誤差率在10%以下，誤差的主要原因：實際測量人為影響、儀器本身的精度以及CFD計算的理想化等，但這偏差在工程中是可以接受的。因此利用CFD方法在消聲器壓力損失和阻力系數(shù)中計算中是有效可行的。

4 實際應(yīng)用

以龍巖某機械廠生產(chǎn)的叉車消聲器為例。該叉車型號為LG 30 D，消聲器是一種抗性消聲器，穿孔管內(nèi)徑100 mm，穿孔個數(shù)20個，穿孔直徑10 mm，穿孔率9%。其三個腔長度分別為：前腔335 mm、中腔300 mm、后腔275 mm。膨脹長度200 mm，直徑420 mm，內(nèi)插入管長管為160 mm，短管為40 mm，簡化物理模型如圖2。

4.1 阻力系數(shù)計算

該叉車發(fā)動機排量3 L，轉(zhuǎn)速2 600 r/min，消聲器入口速度30 m/s，利用CFD進行計算，阻力系數(shù)為1.69，壓力損失2 932 Pa。

圖2 消聲器結(jié)構(gòu)圖

4.2 內(nèi)部流場分析

當(dāng)氣體從進氣管流入前腔，經(jīng)插入管到中腔、后腔，最后經(jīng)出氣管排出，途中氣體通流面積產(chǎn)生變化，造成渦流現(xiàn)象，產(chǎn)生能量消耗，導(dǎo)致壓力損失。消聲器每個腔的壓力有差別。從進氣開始到排氣，順著氣流方向，各腔的壓力逐漸變小，如前腔氣體壓力范圍為2 500～5 000 Pa，中腔壓力范圍為700～1 000 Pa，后腔壓力范圍為1 500～1 900 Pa。壓力損失在前腔較大，為3 342 Pa，主要集中在有穿孔結(jié)構(gòu)的區(qū)域；其中，插入管和穿孔區(qū)域是整個消聲器壓力損失最為嚴重的部位，也是能量消耗最為集中的部分。從內(nèi)部流場選取幾個穿孔位置分析，選取不同的穿孔直徑和穿孔率進行模擬，發(fā)現(xiàn)穿孔直徑和穿孔率對阻力系數(shù)影響較大。因此，優(yōu)化配置穿孔直徑和穿孔率，可降低壓力損失和阻力系數(shù)，也可降低氣流對消聲器氣體和穿孔管的沖擊，提高消聲器的使用壽命和空氣動力性能。

4.3 設(shè)計不足及原因

該消聲器阻力系數(shù)較小，壓力損失不大，這在實際使用中已得到驗證。但如果采取有效措施，阻力系數(shù)還有降低的空間，能進一步提高消聲器的空氣動力性能。仔細分析，原消聲器設(shè)計中有些不足：一是消聲器中長插入管偏長，已進入到后腔，氣流緩沖、回轉(zhuǎn)路徑偏短，不利于氣體流動。二是前腔與中腔長度較接近，消聲頻率基本一致，不利于消聲。三是穿孔直徑和穿孔率還可以進一步優(yōu)化。

對直流微穿孔消聲器，隨著穿孔率的增大，阻力系數(shù)變大。這是因為穿孔率變大，進入消聲器膨脹腔的氣體加多，氣流的流程增加，沿程壓力損失變大，總的壓力損失變大，從而阻力系數(shù)變大。阻力系數(shù)與穿孔率的關(guān)系如圖3。對直流穿孔消聲器直徑增加，阻力系數(shù)變大。這是因為穿孔直徑變大，進入消聲器膨脹腔的氣體增加，沿程壓力損失增大，總的壓力損失增加，阻力系數(shù)變大。阻力系數(shù)與穿孔直徑關(guān)系如圖4。

圖3 消聲器阻力系數(shù)隨穿孔率變化曲線圖

圖4 消聲器阻力系數(shù)隨穿孔直徑變化曲線圖

4.4 改進措施

在保證消聲的前提下，對LG30D叉車消聲器進行改進：一是將長插入管的長度縮短，使其插入到后腔的出口長度為零。二是將原先的10 mm，20排穿孔改為8 mm，10排的結(jié)構(gòu)。三是將前腔、中腔、后腔的長度分別由335 mm、300 mm、275 mm調(diào)整為285 mm、315 mm、280 mm。改進后再用上述方法對消聲器阻力系數(shù)進行CFD仿真計算，其阻力系數(shù)為1.13，比原先的1.69下降了33%；壓力損失由原先的2 932 Pa降低為2 150 Pa，下降了27%。三個腔的速度也比較均勻，消聲器的消聲性能和空氣動力性能更好。

5 結(jié)語

（1）利用CFD方法對消聲器阻力系數(shù)進行計算是可行的且基本準確，可適用于消聲器的性能分析，避免繁瑣的實際測量；

（2）阻力系數(shù)能全面反映消聲器的空氣動力性能。消聲器的阻力系數(shù)小，壓力損失小，空氣動力性能好；

（3）消聲器的結(jié)構(gòu)對阻力系數(shù)的影響較大。抗性消聲器的穿孔直徑增加，阻力系數(shù)變大。穿孔率增大，阻力系數(shù)變大；

（4）阻力系數(shù)的計算可為消聲器的優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

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Research andApplication of Resistance Coefficients of Mufflers Using CFD

WANG Rong-jie,CHEN Hong-wei

(Dept.of Mechanical and Electrical Engineering,Longyan University,Longyan 364012,China)

Muffler is such a device which allows air to flow through itself and can control the noise of the air flow.In this paper,the type,application and characteristics of mufflers are introduced.Mufflers must have good acoustic performances and aerodynamic performances.Resistance coefficient of the muffler reflects the extents of the air flow resistance and pressure loss.The computational fluid dynamics(CFD)method is used to calculate the resistance coefficient of the muffler.The experimental verification shows that the CFD method is feasible in muffler’s draging-coefficient calculation.Taking a forklift’s muffler as an example,the resistance coefficient is calculated by using the CFD and used to analyze the muffler’s performance;the deficiency of the original design is analyzed;and the design is improved by reducing the resistance coefficient and improving the aerodynamic performance of the muffler.This research has some application value in engineering practice.

acoustics;muffler;resistance coefficient;pressure loss;CFD

1006-1355(2014)03-0198-05

TK413.4+7

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.03.042

消聲器是允許氣流通過而又降低噪聲的一種器件，是消除空氣動力性噪聲的重要措施。聲學(xué)性能和空氣動力性性能是衡量消聲器的兩個重要指標，而壓力損失和阻力系數(shù)又是評價消聲器空氣動力性能的兩個重要內(nèi)容。國內(nèi)外很重視消聲器研究，在降低噪聲和壓力損失方面有不少突破。當(dāng)前對消聲器的聲學(xué)性能分析較多，但對空氣動力性性能研究較少[1―3]；對消聲器的傳遞損失研究較多，但對壓力損失分析較少[4―6]；在對空氣動力性能分析中又以壓力損失計算為多，但如何計算阻力系數(shù)幾乎沒有[7―10]。而利用阻力系數(shù)來分析消聲器的性能更是微乎其微。本文以消聲器為研究對象，系統(tǒng)小結(jié)其類型、應(yīng)用和特點，闡述阻力系數(shù)在分析消聲器性能中的作用，以計算流體力學(xué)（CFD）方法[11―13]，計算消聲器的阻力系數(shù)。并以福建省龍巖某機械廠生產(chǎn)的叉車消聲器的阻力系數(shù)實際情況為例，分析原設(shè)計不足，加以改進，提高其空氣動力性能。計算阻力系數(shù)并以此分析消聲器的性能在工程中有一定的推廣應(yīng)用價值。

1 消聲器類型、特點和要求

2013-08-07

王榮杰（1967-），男，江蘇興化人，龍巖學(xué)院教授，主要研究方向為機械噪聲控制。

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