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        空壓機(jī)排氣放空復(fù)合消聲器設(shè)計(jì)與性能分析

        2018-10-23 07:35:58溫華兵李曉亮吳曉佳
        噪聲與振動(dòng)控制 2018年5期
        關(guān)鍵詞:有限元設(shè)計(jì)

        溫華兵,李曉亮,吳曉佳

        (江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

        排氣放空消聲器常用于電力、石油、船舶等工業(yè)部門(mén)以降低高壓高速排氣放空氣流所產(chǎn)生的高強(qiáng)度噪聲。排氣噪聲是空壓機(jī)的主要噪聲源之一,渦輪空壓機(jī)的排氣噪聲是由于氣流在排氣管內(nèi)產(chǎn)生壓力脈動(dòng)所致,安裝排氣放空消聲器是控制空壓機(jī)排氣噪聲的主要措施[1]。

        傳統(tǒng)消聲器設(shè)計(jì)主要根據(jù)一維平面波理論、設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn),對(duì)于復(fù)雜的消聲器,數(shù)值仿真方法可以在計(jì)算機(jī)上較為準(zhǔn)確的計(jì)算復(fù)雜模型[2]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)消聲器的性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究較多,而有針對(duì)性地降低高壓排氣放空氣流噪聲的消聲器設(shè)計(jì)與研究相對(duì)較少。畢嶸等[3]利用三維聲學(xué)軟件對(duì)多腔赫姆霍茲共振消聲器進(jìn)行數(shù)值仿真,分析不同組合結(jié)構(gòu)對(duì)共振消聲器傳遞損失的影響。徐貝貝等[4]利用三維有限元法預(yù)測(cè)穿孔管消聲器的傳遞損失,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。賀巖松等[5]對(duì)三種組合結(jié)構(gòu)的穿孔管消聲器進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算,對(duì)比分析不同穿孔率對(duì)消聲器聲學(xué)性能的影響。溫華兵等[6]研究柴油機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣消聲器的消聲特性,分析消聲器消聲性能的影響因素,對(duì)消聲器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)并提高了消聲效果。Jin W L和Du Jiang等[7-8]模擬了消聲器內(nèi)的氣流流動(dòng),通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高消聲器的聲學(xué)性能。劉麗媛等[9]針對(duì)渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了兩套進(jìn)氣消聲器,結(jié)合仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到了各自的消聲特性。溫華兵等[10]針對(duì)某特種發(fā)動(dòng)機(jī),綜合運(yùn)用節(jié)流降壓、擴(kuò)張式膨脹、導(dǎo)流、吸聲和小孔噴注排氣的原理,設(shè)計(jì)了一個(gè)排氣放空消聲器,取得良好的消聲性能。李忠杰等[11]根據(jù)特種發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲的特性,設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合式消聲器,計(jì)算分析了消聲器內(nèi)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)。本文設(shè)計(jì)了一款適用于高壓排氣放空消聲的復(fù)合消聲器,采用經(jīng)驗(yàn)公式和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法分析了消聲器的聲學(xué)性能,對(duì)于降低高壓排氣放空氣流噪聲的消聲器設(shè)計(jì)與性能分析具有參考價(jià)值。

        1 消聲器的設(shè)計(jì)

        空壓機(jī)內(nèi)部的氣體達(dá)到一定壓力時(shí),開(kāi)啟泄流閥后從噴嘴噴射出來(lái)的高速氣流會(huì)產(chǎn)生巨大氣流噪聲,其大小與排氣速度和壓力有關(guān),控制氣流噪聲的關(guān)鍵是降低氣流速度和壓力。

        1.1 節(jié)流降壓板設(shè)計(jì)

        節(jié)流降壓消聲器是較為常見(jiàn)的消聲器類(lèi)型之一。首先,對(duì)通流面積進(jìn)行計(jì)算,目的是讓高壓氣體流經(jīng)節(jié)流孔板處時(shí)壓力降低,以到達(dá)減少氣流的空氣動(dòng)力性噪聲的目的。如果串聯(lián)多級(jí)節(jié)流孔板,就能夠?qū)⒏邏簹饬髦鸺?jí)降壓。

        節(jié)流降壓消聲器的各級(jí)壓力是按照幾何級(jí)數(shù)下降的,表達(dá)式如下

        式中:Pn表示第n級(jí)節(jié)流孔板后的壓力;Ps表示第n級(jí)節(jié)流孔板前的壓力;n表示節(jié)流孔板級(jí)數(shù);q是壓降比,表示節(jié)流孔板后的壓力與該級(jí)節(jié)流孔板前壓力的比值;q是不大于1的數(shù)值。

        假設(shè)第1級(jí)節(jié)流降壓板的通流面積為S1(cm2),則S1的確定方法如下

        式中:K表示排放不同介質(zhì)的修正系數(shù),對(duì)于空氣K=13;μ表示為保證排氣量的截面修正系數(shù),一般取1.2~2.0;G表示排放氣體的重量流量(t/h);V1表示第1級(jí)節(jié)流前氣體比容(m3/kg);P1表示第1級(jí)節(jié)流前的氣體壓力(Pa)。第1級(jí)節(jié)流降壓板的通流面積確定后,其它各級(jí)節(jié)流降壓板的通流面積Sn也可以依次確定

        按照臨界降壓設(shè)計(jì)的節(jié)流降壓層的消聲量ΔL可通過(guò)如下表達(dá)式求得[1]

        式中:Pin(Pa)表示消聲器的入口壓力;Pout(Pa)表示環(huán)境壓力;n表示節(jié)流降壓的層數(shù);α表示修正系數(shù),它的實(shí)驗(yàn)值為0.9±0.2(當(dāng)壓力較低時(shí)取偏高值,可取1.1,當(dāng)壓力較高時(shí)取偏低值,取0.7)。

        1.2 片式消聲通道設(shè)計(jì)

        為控制高頻噪聲,防止高頻失效,通常將直管式阻性消聲器的通道分成若干個(gè)小通道,設(shè)計(jì)成片式消聲器,片式消聲通道的消聲量ΔL計(jì)算公式為[12]

        式中:L表示消聲器的有效長(zhǎng)度;?(α0)表示吸聲材料的消聲系數(shù),其大小與頻率有關(guān);h表示氣流通道的高度。

        1.3 小孔噴注層設(shè)計(jì)

        小孔噴注層具有升頻特性,可以將噪聲頻率推到人耳聽(tīng)不到或不敏感的超高頻范圍,以降低氣流噪聲。小孔噴注層消聲量ΔL與孔徑d的關(guān)系為[1]

        由于從小孔射出的噴注相互混合會(huì)產(chǎn)生低頻噪聲,因此,設(shè)計(jì)小孔噴注消聲器時(shí),孔間距離應(yīng)滿(mǎn)足下列表達(dá)式

        式中:b表示孔間距(mm);d為小孔孔徑(mm)。

        1.4 消聲器的總體設(shè)計(jì)

        在空壓機(jī)排氣消聲器總體設(shè)計(jì)時(shí),首先需要控制入口氣流速度,在消聲器進(jìn)氣口處布置第1級(jí)節(jié)流降壓板,在第2級(jí)和第3級(jí)節(jié)流降壓板間布置了2塊導(dǎo)流板,把氣流分割成為3個(gè)流道,能夠抑制氣流對(duì)消聲器壁面的沖擊作用,從而通過(guò)節(jié)流降壓和導(dǎo)流降低氣流壓力、減緩速度,從而達(dá)到降低空氣動(dòng)力性噪聲的目的。

        氣流通過(guò)3級(jí)節(jié)流降壓板后,其速度和壓力得到有效控制,再進(jìn)入片式消聲通道,片式消聲結(jié)構(gòu)內(nèi)部為吸聲材料,用微穿孔護(hù)面結(jié)構(gòu)與殼體之間固定。

        在消聲器排氣口處,設(shè)置小孔直徑為2 mm的小孔噴注層,形成小孔噴注排氣,以減少氣流速度,將排氣沖擊噪聲的頻率移到超高頻,從而降低再生噪聲。

        所設(shè)計(jì)的排氣放空復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,節(jié)流降壓板的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

        表1 消聲器節(jié)流降壓板參數(shù)

        2 傳遞損失經(jīng)驗(yàn)公式估算

        所設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器由節(jié)流降壓板、片式消聲通道和小孔噴注層組成,可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式估算各部分的消聲量,然后得到復(fù)合消聲器的總消聲量。

        已知空壓機(jī)的排氣口氣流壓力為0.7 MPa,出口壓力為0.1 MPa,節(jié)流降壓板級(jí)數(shù)為3,由式(4)計(jì)算得到消聲器中3級(jí)節(jié)流降壓板的消聲量ΔL1=17 dB。

        圖1 消聲器結(jié)構(gòu)示意圖

        消聲器的吸聲材料選擇針刺棉,其吸聲系數(shù)平均值為0.84,根據(jù)吸聲系數(shù)與消聲系數(shù)?(α0)的換算關(guān)系,計(jì)算得到消聲系數(shù)?(α0)=1.3,消聲器的有效長(zhǎng)度L=0.93 m,氣流通道的高度b=0.113 m,由式(5)計(jì)算得到消聲器中片式消聲通道的消聲量ΔL2=21 dB。

        小孔噴注層的小孔孔間距b=12 mm,小孔孔徑d=2 mm,由式(6)計(jì)算得到消聲器中小孔噴注層的消聲量ΔL3=18 dB。

        由上述各式計(jì)算的結(jié)果估算復(fù)合消聲器的消聲量ΔL=ΔL1+ΔL2+ΔL3=56 dB。

        3 消聲器傳遞損失仿真計(jì)算

        有限元法是消聲器傳遞損失計(jì)算的有效方法。消聲器內(nèi)部設(shè)計(jì)的小孔可以減小流體阻力,提高消聲效果,但這些小孔的存在使有限元網(wǎng)格的劃分非常困難。本文對(duì)穿孔板兩邊的網(wǎng)格通過(guò)定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系模擬小孔的聲學(xué)特性。

        為滿(mǎn)足聲學(xué)性能計(jì)算頻率達(dá)到3 000 Hz,提高計(jì)算精度,確定有限元最大網(wǎng)格尺寸為10 mm,將消聲器網(wǎng)格模型導(dǎo)入Virtual.Lab中,定義聲學(xué)網(wǎng)格、流體材料和吸聲材料屬性,采用在穿孔板兩側(cè)建立傳遞導(dǎo)納關(guān)系,以模擬節(jié)流降壓板、小孔噴注層中小孔的聲學(xué)特性,將消聲器入口邊界條件設(shè)置為單位振動(dòng)速度v=-1m/s,出口設(shè)置為全吸聲無(wú)反射邊界條件。聲場(chǎng)計(jì)算完成后,在消聲器入口中間選取1點(diǎn),提取該點(diǎn)的聲壓級(jí)作為消聲器進(jìn)口段的聲壓級(jí)。出口選取3×3的9個(gè)測(cè)點(diǎn),取各個(gè)點(diǎn)聲壓級(jí)的平均值代表出口端的聲壓級(jí)。將消聲器入口段的聲壓級(jí)減去消聲器出口端的聲壓級(jí)作為消聲器的傳遞損失。圖2是消聲器在2 920 Hz時(shí)的聲壓云圖,可以看出在計(jì)算頻率為2 920 Hz高頻時(shí),消聲器內(nèi)已不再是平面波,而是出現(xiàn)了高次波,此時(shí)一維聲學(xué)不再適用,不能用一維平面波理論的計(jì)算方法。消聲器總體傳遞損失頻率特性如圖3所示。

        圖2 消聲器2 920 Hz時(shí)的聲壓云圖

        圖3 消聲器傳遞損失

        從圖3可知,在20 Hz~3 000 Hz頻率范圍內(nèi)消聲器的傳遞損失最高為86 dB,峰值頻率分布在1 320 Hz,傳遞損失平均達(dá)到57 dB,與經(jīng)驗(yàn)公式估算的總體消聲量56 dB相接近。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器在寬頻段內(nèi)具有良好的消聲性能,尤其是在400 Hz~1 700 Hz頻率范圍內(nèi)的消聲效果明顯,平均達(dá)到67 dB。

        圖4所示為消聲器中3層節(jié)流降壓板、片式消聲通道和小孔噴注層的傳遞損失。在20 Hz~600 Hz頻率范圍內(nèi),節(jié)流降壓板的消聲效果較好,平均消聲量達(dá)到了21 dB,而片式消聲通道和小孔噴注層的平均消聲量分別為9 dB和6 dB。在600 Hz~3 000 Hz頻率范圍內(nèi),片式消聲通道的平均消聲量較高,達(dá)到27 dB,節(jié)流降壓板和小孔噴注層的平均消聲量分別為18 dB和17 dB。

        表2所示為消聲器傳遞損失經(jīng)驗(yàn)公式估算和仿真計(jì)算結(jié)果比較,結(jié)果顯示兩者較為接近,說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)公式估算和有限元仿真方法均適用于對(duì)該類(lèi)消聲器的消聲效果分析,其中經(jīng)驗(yàn)公式估算法計(jì)算簡(jiǎn)便,更適合于對(duì)消聲器的初步設(shè)計(jì),有限元仿真方法更適合于對(duì)消聲器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和性能分析。

        圖4 消聲器不同部分傳遞損失

        表2 經(jīng)驗(yàn)公式估算與仿真計(jì)算的對(duì)比/dB

        4 結(jié)語(yǔ)

        (1)采用節(jié)流降壓板、片式消聲通道及小孔噴注層組合設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器,可在不同頻段優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),提高消聲器對(duì)排氣放空氣流噪聲的消聲效果,本文設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器在20 Hz~3 000 Hz寬頻段內(nèi)具有理想的消聲效果,平均消聲量可達(dá)57 dB。

        (2)通過(guò)對(duì)穿孔板兩邊的網(wǎng)格定義傳遞導(dǎo)納關(guān)系,以模擬消聲器內(nèi)部穿孔板的聲學(xué)特性,可以簡(jiǎn)化消聲器的有限元網(wǎng)格處理。

        (3)經(jīng)驗(yàn)公式估算和有限元仿真方法均可用于對(duì)排氣放空復(fù)合消聲器的消聲效果分析,其中經(jīng)驗(yàn)公式估算方法計(jì)算簡(jiǎn)便,有限元仿真方法可分析不同頻段的消聲效果,更適合于對(duì)消聲器的詳細(xì)設(shè)計(jì)和性能分析。

        致謝:

        感謝重慶江增船舶重工有限公司對(duì)本文研究工作的支持。

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