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        基于有限元的空調(diào)消音器仿真分析與優(yōu)化

        2024-04-01 12:15:48紀(jì)
        日用電器 2024年2期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化

        李 武 肖 劍 紀(jì) 瀚

        (珠海市鹿鳴智慧科技有限公司 珠海 519000)

        引言

        隨著人們生活水平的提高,空調(diào)已經(jīng)成為越來(lái)越多家庭中必不可少的家用電器之一,人們對(duì)產(chǎn)品舒適度的要求也越來(lái)越高,噪音的高低也成為了用戶選擇空調(diào)產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo),因此如何研發(fā)出高性能、低噪音的空調(diào)產(chǎn)品是研發(fā)技術(shù)員需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

        在空調(diào)產(chǎn)品中為解決壓縮機(jī)噪聲傳遞到室內(nèi)機(jī)的問(wèn)題,通常會(huì)在壓縮機(jī)出口增加消音器。傳統(tǒng)的消音器通常為普通的擴(kuò)管式消音器結(jié)構(gòu),以往空調(diào)主要為定頻機(jī),壓縮機(jī)的頻率范圍比較固定,所以空調(diào)噪聲頻率也相對(duì)固定,傳統(tǒng)的擴(kuò)管式消音器基本可以滿足要求。但隨著技術(shù)的不斷提升和市場(chǎng)變化,現(xiàn)在市場(chǎng)上變頻空調(diào)日益普及,以往消除固定頻段噪聲的普通擴(kuò)管式消音器已經(jīng)很難滿足變頻機(jī)的使用需求,消音器的消音頻率需要設(shè)計(jì)的盡量寬,以便能覆蓋壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率范圍[1,2]。

        本文基于有限元分析方法,對(duì)某項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的空調(diào)室外機(jī)消音器進(jìn)行研究,通過(guò)仿真分析計(jì)算出消音器的傳遞損失曲線,并對(duì)原消音器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),仿真分析結(jié)果顯示,優(yōu)化后的消音器消音頻段更廣,在(200~1 000)Hz頻段的范圍內(nèi),消聲量達(dá)到10 dB以上,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比,原空調(diào)的噪聲得到明顯的降低,產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力得到顯著提升。

        1 消音器設(shè)計(jì)和傳遞損失計(jì)算

        消音器根據(jù)消音原理的不同一般分為阻性消音器和抗性消音器,在空調(diào)的冷媒系統(tǒng)中通常使用抗性消音器進(jìn)行消音,空調(diào)通常采用銅管進(jìn)行冷媒傳遞,在冷媒系統(tǒng)中通常使用擴(kuò)張室消音器進(jìn)行消音,擴(kuò)張室消音器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其通常包括兩端的入口管和出口管以及中間的擴(kuò)張腔。

        圖1 擴(kuò)管式消音器結(jié)構(gòu)圖

        擴(kuò)管式消音器的消聲量的消聲量可由式(1)計(jì)算[3]:

        式中:

        ΔL—消聲量(dB);

        m—擴(kuò)張比,m=S2/S1;

        k —波數(shù),k=2π/λ,λ是聲波波長(zhǎng);

        l—擴(kuò)張室的長(zhǎng)度(m)。

        擴(kuò)管式消音器最大消音量的計(jì)算公式為:

        擴(kuò)管式消音器最大消聲量的頻率fmax為:

        式中:

        c—聲速(m/s)。

        式中:

        K—比熱比;

        R—?dú)怏w常數(shù);

        T—絕對(duì)溫度。

        從上面的公式可以看出,消音器的消音量大小取決于擴(kuò)張比m。

        根據(jù)上面的式(1)~(3)可以繪制出擴(kuò)管式消音器的傳遞損失圖如圖2所示。從圖中可以看出,擴(kuò)管式消音器的傳遞損失呈周期性的波動(dòng)狀態(tài),會(huì)存在明顯的最大消聲和最低消聲位置。在實(shí)際工作應(yīng)用中,尤其是面對(duì)需要在一定頻率范圍內(nèi)消聲的變頻機(jī)組,這種存在明顯消聲截止頻率的擴(kuò)管式消音器就不適合使用了。比如圖2中的消音器在450 Hz、900 Hz附近的消聲量就非常低,當(dāng)變頻機(jī)組剛好存在45 Hz、90 Hz附近運(yùn)行的倍頻噪聲時(shí),此消音器的消音效果便會(huì)很差。

        圖2 擴(kuò)管式消音器的傳遞損失圖

        為了改善擴(kuò)張室消音器存在通過(guò)頻率消聲量為零的問(wèn)題,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,通常會(huì)在消音器的入口端增加一段插入管[4],如圖3所示,帶內(nèi)插管的消音器減小消音器的截止頻率,增加消音器可消聲頻段。

        圖3 帶內(nèi)插管的消音器

        內(nèi)插管消音器的消音頻率無(wú)法通過(guò)公式計(jì)算直接得到,但可以通過(guò)仿真分析計(jì)算得出。消聲器的傳遞損失仿真分析計(jì)算通常是基于消聲器的聲模態(tài)分析結(jié)果通過(guò)諧響應(yīng)分析計(jì)算得到,通過(guò)在消音器入口處添加單位振動(dòng)速度來(lái)計(jì)算出口處的響應(yīng)從而得到消音器傳遞損失。

        采用有限元方法對(duì)理論公式計(jì)算的消音器進(jìn)行聲學(xué)仿真,包括空腔聲模態(tài)和傳遞損失計(jì)算,仿真軟件為ANSYS。有限元模型基于以下幾個(gè)基本假設(shè):

        1)消音器中的介質(zhì)為理想流體;

        2)介質(zhì)中傳播的是小振幅聲波,符合線性傳遞關(guān)系;

        3)聲傳播是絕熱過(guò)程;

        4)介質(zhì)的靜態(tài)壓強(qiáng)和靜態(tài)密度都是常數(shù);

        5)消音器為剛性管壁組成,聲波在管壁位置全部反射。

        2 原始方案模擬仿真分析

        實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),某機(jī)型空調(diào)室內(nèi)機(jī)存在中低頻噪音,通過(guò)室內(nèi)機(jī)和室外機(jī)的噪聲頻譜對(duì)比確認(rèn),此噪聲為室外機(jī)傳遞到室內(nèi)機(jī),因此需對(duì)其消音器進(jìn)行分析,確認(rèn)其消音頻段是否設(shè)計(jì)合理。如圖4所示為原室外機(jī)的噪聲測(cè)試1/3倍頻程頻譜,從圖中可以看出,噪聲主要集中在中高頻區(qū)域,(200~1 000)Hz范圍最為集中,最大噪聲對(duì)應(yīng)頻率為500 Hz附近,噪聲值達(dá)到72.88 dB(A),說(shuō)明消音器在此頻段的消音效果欠佳,需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

        圖4 原機(jī)型噪聲頻譜

        圖5 原消音器三維模型和網(wǎng)格模型

        原消音器三維模型和網(wǎng)格如圖4所示,網(wǎng)格單元采用三維聲學(xué)流體單元FLUID30計(jì)算,傳遞損失可以表示如公式(4)所示[5]。

        式中:

        S1—消音器入口銅管的截面積(mm2);

        S2—消音器出口銅管的截面積(mm2);

        P1—消音器入口位置的入射聲壓(Pa);

        P2—消音器出口位置的投射聲壓(Pa);

        P3—消音器入口位置的聲壓(Pa);

        P4—消音器出口位置的聲壓(Pa);

        ρ—當(dāng)前工況下,空調(diào)系統(tǒng)中的冷媒密度(kg/m3);

        c—當(dāng)前工況下的冷媒中聲音的傳播速度(m/s);

        vi—消音器入口單元的振動(dòng)速度(m/s)。

        仿真分析采用ANSYS的聲學(xué)諧響應(yīng)模塊進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)上面的計(jì)算原理公式,在消音器的入口管的單元上,施加了大小為1m/s,方向從入口指向出口的振動(dòng)速度作為激勵(lì),通過(guò)仿真分析計(jì)算可得到出口位置的響應(yīng)結(jié)果,進(jìn)而可以計(jì)算出消音器從入口到出口的傳遞損失。

        結(jié)合本文分析選用的案例,其冷媒采用的是R410a,在名義制冷工況下(室外側(cè)干球溫度35 ℃,室內(nèi)側(cè)干球溫度27 ℃),通過(guò)查表在此工況下,R410a冷媒的聲速約為175.8 m/s,冷媒密度約62.8 kg/m3。通過(guò)ANSYS仿真得到本案例消音器的噪聲傳遞損失圖如圖6所示。

        圖6 原消音器噪聲傳遞損失圖

        從圖中可以看出,原消音器的傳遞損失呈類似正弦曲線的形式,在(200~1 000)Hz范圍內(nèi),最大消聲量為12.5 dB,其在480 Hz、900 Hz附近消聲量接近于0,因此其對(duì)中高頻的噪聲并不能起到較好的消除效果,這點(diǎn)和噪聲測(cè)試頻譜的數(shù)據(jù)吻合,也驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。

        3 優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        為增加消音器的消聲量和消聲頻段,對(duì)原消音器進(jìn)行優(yōu)化,在實(shí)際的工程應(yīng)用中,通??梢酝ㄟ^(guò)在消音器入口端增加一段插入管,同時(shí)調(diào)整消音器的空腔直徑的方式來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

        插入管消音器的插入管長(zhǎng)度對(duì)消音器的通過(guò)頻率會(huì)有很大的影響,當(dāng)插入管長(zhǎng)度為1/2筒體長(zhǎng)度的倍數(shù),同時(shí)為1/4筒體長(zhǎng)度的倍數(shù)時(shí),理論上整個(gè)消音器沒(méi)有通過(guò)頻率[6]。

        另外原消音器腔體直徑和長(zhǎng)度均偏大,為了節(jié)約成本,在增加插入管的同時(shí),減小了腔體直徑和長(zhǎng)度,綜合考慮后,消音器調(diào)整前后的尺寸對(duì)比如表1所示。

        表1 原始方案與優(yōu)先方案消音器尺寸對(duì)比

        對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真分析得到其傳遞損失曲線如圖7所示,從圖中可以看出,優(yōu)化后的消音器其在(200~1 000)Hz范圍內(nèi)的消聲量基本在15 dB以上,優(yōu)化后的消音器消音頻段范圍明顯增加,并且在使用頻段范圍內(nèi)沒(méi)有消聲量很小的頻率點(diǎn),更加符合變頻機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。

        圖7 優(yōu)化后的消音器噪聲傳遞損失圖

        對(duì)優(yōu)化后的空調(diào)室外機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試,得到其頻譜如圖8所示,從圖中可以看出,(200~1 000)Hz范圍內(nèi)的噪聲得到明顯改善,最大噪聲值由72.88 dB(A)降低到56.8 dB(A),說(shuō)明優(yōu)化后的消音器的對(duì)原機(jī)型存在的噪聲問(wèn)題起到了改善作用。

        圖8 優(yōu)化消音器后室外機(jī)噪聲頻譜

        4 結(jié)論

        本文利用有限元分析方法,對(duì)某空調(diào)室外機(jī)的噪音問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)消音器的設(shè)計(jì)和仿真分析方法進(jìn)行研究,結(jié)合分析結(jié)果對(duì)原消音器進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)仿真分析對(duì)比和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)原方案空調(diào)室外機(jī)噪聲偏高是由于原消音器的存在消音量接近為0的頻段,使得消音器在這些頻段附近的消聲效果不佳,通過(guò)設(shè)計(jì)帶插入管的消音器可以增加消聲頻段范圍,使消音器在目標(biāo)頻率不出現(xiàn)消音量接近0的頻段。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試優(yōu)化后的消音器降噪效果明顯,原最大噪聲頻段噪聲值降低了16 dB(A),同時(shí)減小了消音器的體積,能有效降低成本提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

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