杜美余，周俊杰，蘇學(xué)冰，耿毫偉，魯亞龍

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

消聲器是安裝在空氣動(dòng)力設(shè)備氣流通道上或進(jìn)、排氣系統(tǒng)中，以降低噪聲的裝置，它既可以使氣流通過(guò)，又能有效地降低噪聲，是控制噪聲的有效工具，是噪聲控制技術(shù)中應(yīng)用最多最廣的降噪設(shè)備，消聲器的設(shè)計(jì)和研制已經(jīng)得到了國(guó)內(nèi)外各專家的悉心研究。

插入損失是裝置消聲器前后，在固定測(cè)點(diǎn)處的聲壓級(jí)或總聲壓級(jí)、頻帶聲壓級(jí)之差，插入損失只能反映整個(gè)系統(tǒng)包括消聲器、管道及噪聲源在裝置消聲器前后聲學(xué)性能的變化，并不能直接反映消聲器本身的消聲性能[1]。式(1)中， LP1、LP2分別為消聲器安裝前后某給定點(diǎn)的平均聲壓級(jí)，單位為dB。則分別為安裝消聲器前后固定測(cè)點(diǎn)處的聲壓，單位為Pa。

(1)

傳遞損失定義為消聲器入口處入射聲能與出口處透射聲能之比，是入射聲功率級(jí)與透射聲功率級(jí)之差，測(cè)量上一般是指入口入射聲壓和出口透射聲壓之差。

(2)

(2)式中， Lw1與Lw2與分別為消聲器入口和出口端的聲功率級(jí)，單位為dB，分別為消聲器入口和出口端的聲功率，單位為W， P1為入射聲壓，P2為透射聲壓，單位為Pa。

1 建立模型

消聲器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，并且加上較高的氣流速度，使得消聲器內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況非常復(fù)雜。因此對(duì)消聲器的流場(chǎng)分布進(jìn)行仿真研究，首先需要對(duì)消聲器的工作條件作如下簡(jiǎn)化：

(1)抗性消聲器固體區(qū)和流體區(qū)的物理性能參數(shù)均為常數(shù)(2)流體為定常流動(dòng)中的湍流(3)不考慮重力的影響(4)消聲器入口流體流速為勻速，無(wú)脈沖影響在COMSOL軟件中建立如圖所示模型，通過(guò)改變擴(kuò)張室的長(zhǎng)度和直徑、內(nèi)插管長(zhǎng)度來(lái)改變模型。消聲單元結(jié)構(gòu)研究的基本尺寸為擴(kuò)張室長(zhǎng)度L=200mm，擴(kuò)張室直徑D=100mm；入口長(zhǎng)度L1=60mm，入口直徑D1=50mm；出口長(zhǎng)度L2=60mm，出口直徑D2=50mm；L2、L3分別為入口、出口內(nèi)插管長(zhǎng)度(初始長(zhǎng)度為0)。

圖1 幾何模型圖

2 設(shè)置邊界條件

空氣經(jīng)過(guò)入口進(jìn)入擴(kuò)張室，采用平面波輻射，壓力幅值為1Pa。當(dāng)氣流速度低于10m/s時(shí)，氣流對(duì)消聲量的影響很小，當(dāng)氣流速度超過(guò)30m/s時(shí)，氣流對(duì)消聲量的影響則不容忽視。氣流速度越高，消聲量下降越大，同時(shí)，如果氣流速度過(guò)高，還將使消聲器的阻力損失加大。因此，采用湍流邊界條件，入口速度為20m/s。出口壓力為0，其他邊界為壁。

3 結(jié)果分析

3.1 速度場(chǎng)分析

表1 不同入口、出口內(nèi)插管長(zhǎng)度尺寸

圖2 單腔擴(kuò)張式消聲器內(nèi)部流體流速分布圖

圖2為入口流速為20m/s時(shí)，不同內(nèi)插管結(jié)構(gòu)消聲器的內(nèi)部流場(chǎng)分布示意圖，可以發(fā)現(xiàn)，消聲器流場(chǎng)的共同特點(diǎn)是，大部分氣體通過(guò)具有相同軸心的輸入管、內(nèi)插管和輸出管而直接排出。擴(kuò)張室內(nèi)其它大部分區(qū)域氣體流速均比較小，大都屬于消聲器內(nèi)氣體流速最小值區(qū)域，因此氣體對(duì)擴(kuò)張室內(nèi)壁的沖擊比較小。相對(duì)前后內(nèi)插管兩類消聲器而言，當(dāng)插入管長(zhǎng)度相同時(shí)，消聲器的出口處氣體流速基本相同，只是由于內(nèi)插管位置的不同導(dǎo)致消聲器內(nèi)部局部各點(diǎn)的流速不同，在消聲器出口的截面積突變處，由于存在一定的結(jié)構(gòu)尖角，導(dǎo)致此處流體的湍流強(qiáng)度和氣體湍流動(dòng)能較大，由此可能會(huì)產(chǎn)生一定的湍流噪聲。隨著內(nèi)插管長(zhǎng)度的增大，位于內(nèi)插管根部位置出現(xiàn)氣流“盲區(qū)”，在這些位置，氣體流速很小，有些位置甚至達(dá)到了0m/s。

3.2 壓力場(chǎng)分析

圖3 不同尺寸的插入管壓降關(guān)系圖

由圖3可以看出，入口內(nèi)插管的壓降隨插入管長(zhǎng)度的增加而增加。只有出口插入管時(shí)的壓降最大。在入口流速一定的情況下，各消聲器入口平均全壓值相差不大，基本上保持一致。氣體從入口進(jìn)入消聲器后，由于擴(kuò)張室截面的突然變大導(dǎo)致部分氣體在內(nèi)部徑向擴(kuò)散，內(nèi)部插入管越短，擴(kuò)散的氣體越多，這部分氣體經(jīng)過(guò)兩個(gè)180度的轉(zhuǎn)折以后才從出口排出，在一定程度上增大了氣體的能量損失，壓力損失主要以沿程摩擦阻力損失為主。

3.3 聲場(chǎng)分析

圖4 頻率為1000Hz時(shí)的總壓場(chǎng)分布圖(Pa) 圖5 頻率為1000Hz時(shí)壓級(jí)的聲分布圖(dB)

由圖4、圖5可以看出，頻率為1000Hz時(shí)，內(nèi)插管影響聲壓場(chǎng)的分布。入口聲壓保持基本不變，當(dāng)出口插入管長(zhǎng)度為0，入口插入管長(zhǎng)度增加，在出口存在聲壓較大，甚至?xí)霈F(xiàn)"回聲"現(xiàn)象，在幾何模型的中間位置，聲壓級(jí)存在最小值，且較小區(qū)域隨入口插入管長(zhǎng)度的增加而減小。當(dāng)入口插入管長(zhǎng)度為0時(shí)，出口插入管長(zhǎng)度增加，入口處的聲壓保持基本不變，出口聲壓發(fā)生變化，且在入口區(qū)域，聲壓逐漸減小在擴(kuò)張室入口兩側(cè)存在最小值。擴(kuò)張室內(nèi)，最大聲壓級(jí)發(fā)生在出口位置的兩側(cè)，且較小聲壓級(jí)區(qū)域隨出口插入管長(zhǎng)度的增加而減小。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)插入管長(zhǎng)度相同時(shí)，消聲器的出口處氣體流速基本相同，只是由于內(nèi)插管位置的不同導(dǎo)致消聲器內(nèi)部局部各點(diǎn)的流速不同，隨著內(nèi)插管長(zhǎng)度的增大，位于內(nèi)插管根部位置出現(xiàn)氣流"盲區(qū)"，在這些位置，氣體流速很小，有些位置甚至達(dá)到了0。

(2)入口內(nèi)插管的壓降隨插入管長(zhǎng)度的增加而增加。只有出口插入管時(shí)的壓降最大。在入口流速一定的情況下，各消聲器入口平均全壓值相差不大，基本上保持一致。

(3)頻率為1000Hz時(shí)，入口聲壓保持基本不變。當(dāng)出口插入管長(zhǎng)度為0，入口插入管長(zhǎng)度增加，在出口存在聲壓較大，甚至?xí)霈F(xiàn)"回聲"現(xiàn)象。在幾何模型的中間位置，聲壓級(jí)存在最小值，且較小區(qū)域隨入口插入管長(zhǎng)度的增加而減小。當(dāng)入口插入管長(zhǎng)度為0時(shí)，出口插入管長(zhǎng)度增加，入口處的聲壓保持基本不變，出口聲壓發(fā)生變化，且在入口區(qū)域，聲壓逐漸減小在擴(kuò)張室入口兩側(cè)存在最小值。擴(kuò)張室內(nèi)，最大聲壓級(jí)發(fā)生在出口位置的兩側(cè)，且較小聲壓級(jí)區(qū)域隨出口插入管長(zhǎng)度的增加而減小。

[1] 方建華.基于CFD的工程機(jī)械抗性消聲器設(shè)計(jì)與性能分析[D].濟(jì)南： 山東大學(xué),2009.

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