劉雅琳，董耀誠，趙 蕾

（西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055）

對于營造舒適的室內(nèi)環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)是不可或缺的，其使用已涉及到住宅、商業(yè)及工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。但在為室內(nèi)提供適宜溫濕度的同時(shí)，它所帶來的噪聲問題也普遍存在。這不僅會影響工作效率，降低生活品質(zhì)，長期處于受污染的聲環(huán)境中還會對身體健康造成嚴(yán)重危害。隨著人們對健康及生活品質(zhì)要求的日益提高，噪聲問題已不容忽視。氣體流動所產(chǎn)生的氣動噪聲是空調(diào)系統(tǒng)主要的噪聲問題之一，它包括風(fēng)機(jī)噪聲，管道噪聲以及末端風(fēng)口噪聲。針對管內(nèi)氣動噪聲問題，Hambric等人[1]研究了90°彎頭內(nèi)氣流導(dǎo)致的管道振動特性及氣動噪聲的聲功率頻譜特性，并提出了CFD與結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合的分析程序；Zhang等人[2]同樣對90°彎頭的振動和氣動噪聲問題進(jìn)行了探討，分析了管內(nèi)導(dǎo)流葉片的作用；Yiping Cao等人[3]將理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了管道內(nèi)噪聲的傳播過程，推導(dǎo)出流場與壓力梯度場之間的協(xié)同關(guān)系；許冬[4]使用仿真方法對相同尺寸和流速條件的矩形及圓形管道進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)圓形直管道出口噪聲略低于矩形管道；Msasski M等人[5]使用不同壁厚的矩形截面三通管進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)三通管內(nèi)氣流的噪聲特性與管道結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。C.M.Mak[6-7]分析了相鄰管道元件的相互影響，并引入修正因子對管道氣動噪聲的計(jì)算公式進(jìn)行提出了修正。

受C.M.Mak研究內(nèi)容啟發(fā)，本文將氣動噪聲基礎(chǔ)理論公式作為出發(fā)點(diǎn)，將我國現(xiàn)行指導(dǎo)規(guī)范中的空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)氣動噪聲計(jì)算方法與國外方法進(jìn)行比對，并通過實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值模擬的方法進(jìn)行探究，為我國空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)噪聲計(jì)算方法的完善提出合理建議，以期為空調(diào)管網(wǎng)系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)提供更加合理的指導(dǎo)。

1 三通氣動噪聲計(jì)算方法的比較

通過將我國空調(diào)行業(yè)指導(dǎo)手冊《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》[8]（后文簡稱“手冊1”）與美國暖通空調(diào)制冷工程師學(xué)會編制的《ASHRAE Handbook》[9]（后文簡稱“手冊2”）、英國皇家屋宇裝備工程師學(xué)會手冊《CIBSE guide B》[10]（后文簡稱“手冊3”）以及日本空氣調(diào)節(jié)衛(wèi)生工學(xué)會主編的《空氣調(diào)節(jié)·衛(wèi)生工學(xué)便覽》[11]（后文簡稱“手冊4”）中空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)氣動噪聲理論計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)主要差別集中于三通管件的氣動噪聲計(jì)算[12]。對風(fēng)管系統(tǒng)而言，三通管件使用廣泛，尤其對于大、中型管網(wǎng)其使用更為普遍，三通氣動噪聲的準(zhǔn)確計(jì)算將對系統(tǒng)整體的聲學(xué)設(shè)計(jì)具有重要意義。因“手冊4”與“手冊2”中該部分內(nèi)容基本相同，故將手冊1－3相關(guān)內(nèi)容簡介如下。

1.1 《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》算法

手冊1中三通管件處氣動噪聲的聲功率級Lw按式(1)計(jì)算

其中：Lwc表示比聲功率級，單位dB，由圖1中查取，并根據(jù)圖2修正；fD表示倍頻帶低限頻率，單位Hz，通過確定，fz為倍頻帶中心頻率，單位Hz；de表示支管處當(dāng)量直徑，單位m，由確定，h和a分別為矩形截面長、寬；va表示支管處流速，單位

1.2 ASHRAE Handbook計(jì)算方法

手冊2和4中三通管件處氣動噪聲的聲功率級Lw按式(2)計(jì)算

圖1 三通的Lwc值

圖2 三通Lwc修正值

其中：F表示流動特性決定的頻譜函數(shù)，單位dB，見圖3；G表示管內(nèi)流速函數(shù)，單位dB，見圖4；H表示倍頻修正函數(shù)，單位dB，參考表1。

表1 修正函數(shù)H取值

1.3 CIBSE guide計(jì)算方法

手冊3附錄中提供了三通氣動噪聲計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)中心頻率f與削減頻率fc的關(guān)系，分別按照式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算

圖3 三通F函數(shù)值

圖4 三通G函數(shù)值

上述三種算法中公式的形式截然不同，在參數(shù)NStr的計(jì)算上也存在差別，手冊1中NStr按支管處管徑及流速計(jì)算，手冊2中則按干管入口處管徑及流速計(jì)算。而在實(shí)際計(jì)算中，各算法的結(jié)果存在怎樣的差異，何種算法更為合理，需進(jìn)一步研究。

2 不同三通氣動噪聲算法結(jié)果對比

引用手冊1與手冊2中的氣動噪聲算例，使用不同方法對其中的三通氣動噪聲進(jìn)行計(jì)算，并比較結(jié)果。因手冊3算法只提供了特定尺寸三通對應(yīng)的參數(shù)ζ，不適用于下列三通，且手冊2與手冊4所用方法相同，故僅將手冊1與手冊2算法進(jìn)行比較。

2.1 《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》算例

某會議室空調(diào)送風(fēng)管路系統(tǒng)如圖5所示，其中2－3處為一分流三通，相應(yīng)幾何尺寸及流速條件已在圖中標(biāo)注。使用手冊1與手冊2算法所得結(jié)果見表2。由表可知，在流速及結(jié)構(gòu)等條件相同情況下，兩種算法在不同頻率下所得結(jié)果均存在約20 dB差值。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)布置圖

2.2 ASHRAE Handbook算例

某辦公室空調(diào)送風(fēng)管路系統(tǒng)見圖6，2－3處為一分流三通，幾何尺寸及氣流速度已標(biāo)于圖中。表3所示為使用手冊1與手冊2中算法所得結(jié)果。由表可知，在流速及結(jié)構(gòu)等條件相同情況下，不同頻率下的計(jì)算結(jié)果均存在約15 dB差值。

圖6 空調(diào)管路系統(tǒng)圖

2.3 計(jì)算結(jié)果對比與討論

針對三通管件氣動噪聲的計(jì)算，手冊3中算法因受參數(shù)ζ限制僅適用于特定尺寸三通，不具有普遍適用性；其次，對于相同條件下支管段的氣動噪聲，手冊2算法結(jié)果比手冊1高出20%以上，差異較大。經(jīng)比較分析，NStr的差別并不是造成最終結(jié)果差異的主要原因。

3 三通氣動噪聲檢測實(shí)驗(yàn)

為探究不同算法與實(shí)際情況的相近程度，采用實(shí)驗(yàn)方法對三通支管出口端氣動噪聲進(jìn)行測試。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

三通氣動噪聲的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖7所示，包括：1風(fēng)機(jī)、2軟連接、3消聲器、4隔聲板、5三通管道、6支座、7風(fēng)速儀、8聲級計(jì)，9處為測點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中選取了矩形支管三通和圓形支管三通，具體尺寸及流速條件如圖8所示。

表2 三通2－3氣動噪聲計(jì)算結(jié)果

表3 三通2－3氣動噪聲計(jì)算結(jié)果

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

圖8 三通管道結(jié)構(gòu)圖

測試時(shí)將風(fēng)機(jī)、消聲器與三通管道分置于兩相鄰房間，中間使用隔聲板格擋，使氣流經(jīng)消聲器降噪后進(jìn)入三通管道，減小風(fēng)機(jī)噪聲對結(jié)果產(chǎn)生影響。

測點(diǎn)9布置在支管出口中心45°方向200 mm處，同時(shí)距地、墻面大于1 500 mm。測試背景噪聲為31.8 dB（A）。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將使用手冊1和手冊2中算法計(jì)算得到的三通氣動噪聲聲功率級，依據(jù)式(5)求得其對應(yīng)的聲壓級并進(jìn)行A計(jì)權(quán)換算，疊加求得理論總A聲級。各頻率A計(jì)權(quán)聲級及實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表4。

其中：Lp為所求聲壓級，單位dB；r為聲源發(fā)出位置距測點(diǎn)的距離，單位m。

從表4可以看出：手冊2算法所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)更為接近，說明手冊2算法與實(shí)際情況更加符合；當(dāng)量直徑相同，截面形狀不同的三通支管，實(shí)測所得A計(jì)權(quán)聲級值相近，說明在該條件下支管截面形狀對結(jié)果影響不大。此外，實(shí)測數(shù)值與手冊2算法結(jié)果相差約9%，可能是受管壁振動所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲影響。

4 數(shù)值模擬

參照文獻(xiàn)[13]的仿真思路，本文采用Fluent+LMS Virtual Lab聯(lián)合模擬的方法，對三通氣動噪聲展開研究：先在Fluent中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，將模擬結(jié)果（流場內(nèi)壓力分布）以cgns格式文件輸出并導(dǎo)入Virtual Lab軟件，與ICEM軟件建立的聲學(xué)有限元模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移及傅里葉變換，經(jīng)聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算求得聲場分布。本文通過與文獻(xiàn)[14]中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性，如圖9所示。

表4 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 模擬結(jié)果對比圖

4.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

模型尺寸見圖10：干管為正方形截面，邊長為250 mm，上下游管長為1 m；支管邊長為250 mm×160 mm，管長為1.5 m。

非穩(wěn)態(tài)使用LES模型，為滿足Y+值～1的精度要求，邊界層首層設(shè)為0.08 mm，整體使用六面體網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺度為7 mm，經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終總單元數(shù)為946 642。聲學(xué)有限元模型同為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為18 mm，求解上限為3 100 Hz。

圖10 管件模型結(jié)構(gòu)圖

4.2 邊界條件及求解器設(shè)置

運(yùn)用Fluent計(jì)算時(shí)，干管進(jìn)口采用速度邊界，為8.5 m/s；干管出口采用壓力出口，為18.40 Pa；支管出口為壓力出口，取-15.79 Pa。壁面條件為無滑移剛性壁面。瞬態(tài)計(jì)算步長為2.5×10-4s，對應(yīng)最大求解頻率2 000 Hz，經(jīng)0.43 s流體從支管流出，故迭代1 720步后開始輸出cgns文件。求解器相關(guān)設(shè)置見表5。氣動噪聲模擬云圖見圖11。

表5 求解器相關(guān)設(shè)置

圖11 氣動噪聲模擬云圖

由于使用各手冊中的噪聲理論公式計(jì)算時(shí)并未具體到點(diǎn)，因而此處將模擬所得支管范圍內(nèi)噪聲最大值與理論計(jì)算值作比較，比較結(jié)果見圖12。

圖12 模擬結(jié)果與理論計(jì)算對比圖

由圖12可知，數(shù)值模擬結(jié)果與兩本手冊算法所得結(jié)果趨勢一致，但手冊2算法結(jié)果與數(shù)值模擬更為接近。

5 結(jié)語

(1)通過比較《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊》、《ASHRAE Handbook》、《CIBSE guide B》以及《空氣調(diào)節(jié)·衛(wèi)生工學(xué)便覽》四本手冊中三通管件處氣動噪聲的計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)手冊2和手冊4的方法相同，手冊3通用性差，手冊1和手冊2具體計(jì)算中存在明顯差異。

(2)通過對三通管件支管處氣動噪聲的實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)在相同管件尺寸及流速條件下，手冊2和手冊4中所用公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)更為接近，表明這兩本手冊算法更符合實(shí)際，數(shù)值仿真也印證了上述結(jié)論。

(3)通過實(shí)驗(yàn)確定了支管當(dāng)量直徑相同、截面形狀不同的三通支管噪聲總聲壓水平差異較小。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，干管出口端氣動噪聲水平低于支管出口處，在數(shù)值模擬中也發(fā)現(xiàn)相似問題，這與手冊2中“干管出口端噪聲水平大于支管端”的表述矛盾，對此將展開進(jìn)一步探究。而實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的變截面三通無法根據(jù)上述手冊計(jì)算噪聲水平，可對此這部分內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。

此外，手冊1中的噪聲計(jì)算章節(jié)完全引自1987年版《建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)手冊》[15]，隨著空調(diào)行業(yè)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)對其中部分內(nèi)容做出更新和補(bǔ)充，而這憑借如今先進(jìn)的技術(shù)水平與實(shí)驗(yàn)條件完全是可以實(shí)現(xiàn)的。