阻抗復(fù)合消聲器阻力系數(shù)研究

王榮杰 陳虹微

(龍巖學(xué)院機(jī)電系，龍巖 364012)

引言

消聲器是控制噪聲的重要舉措，阻抗復(fù)合消聲器又是應(yīng)用廣泛的消聲器之一.人們?cè)絹碓疥P(guān)注消聲器在實(shí)際工作的使用，國內(nèi)外關(guān)于消聲器研究很多，并已取得不少成果，使消聲器可靠性、經(jīng)濟(jì)性不斷提高.聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力性性能是衡量消聲器的兩個(gè)重要指標(biāo)，而壓力損失和阻力系數(shù)又是評(píng)價(jià)消聲器空氣動(dòng)力性能的兩個(gè)重要內(nèi)容.當(dāng)前對(duì)消聲器的聲學(xué)性能分析較多，但對(duì)空氣動(dòng)力性性能研究較少［1-3］;對(duì)消聲器的傳遞損失研究較多，但對(duì)壓力損失分析較少［4-6］;文獻(xiàn)［7］研究了消聲器的聲學(xué)特性，文獻(xiàn)［8］研究了消聲器的傳遞損失，文獻(xiàn)［9］研究了消聲器的壓力損失.文獻(xiàn)［10］研究了消聲器的空氣動(dòng)力性能.但是對(duì)消聲器空氣動(dòng)力性中的阻力系數(shù)的研究幾乎沒有.本文以阻抗復(fù)合型消聲器為研究對(duì)象，分析其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，建立分析模型，以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法［11-13］，對(duì)消聲器的阻力系數(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析流速、結(jié)構(gòu)等對(duì)消聲器空氣動(dòng)力性能的影響，為消聲器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ).

1 阻抗復(fù)合消聲器結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

阻性消聲器適用于中、高頻噪聲的消除，而抗性消聲器對(duì)低、中頻噪聲的消除效果較好.為此，常將二者結(jié)合，可在寬頻帶范圍有良好的消聲，在噪聲控制工程中，阻抗復(fù)合式消聲器應(yīng)用廣泛.

1.1 阻抗復(fù)合消聲器的類型

阻抗復(fù)合消聲器一般由阻性和抗性兩部分組成.根據(jù)工作原理又分為:阻性-擴(kuò)張室復(fù)合消聲器、阻性-共振腔復(fù)合消聲器、阻性-共振腔-擴(kuò)張室復(fù)合消聲器、微穿孔板消聲器等.

1.2 阻抗復(fù)合式消聲器的結(jié)構(gòu)

以微穿孔板消聲器為例，是襯裝微穿孔板結(jié)構(gòu)的消聲器.一般是用厚度小于1mm的薄板制作，在薄板上用孔徑小于1mm的鉆頭穿孔，穿孔率為1%一3%.選擇不同的穿孔率和板厚不同的腔深，就可以控制消聲器的頻譜性能，使其在需要的頻率范圍內(nèi)獲得良好的消聲效果.

1.3 阻抗復(fù)合式消聲器的特點(diǎn)

阻力小，能在較寬的頻帶范圍內(nèi)消除氣流噪聲，而且具耐高溫、耐油污、耐腐蝕的性能，即使在氣流中帶有大量水分，也不影響工作.由于穿孔直徑小、板面光滑，因此該類消聲器壓力損失比一般消聲器要?。?4］.

2 消聲器的阻力系數(shù)建模及計(jì)算

聲學(xué)性能和空氣動(dòng)力性性能是評(píng)價(jià)消聲器的重要指標(biāo).聲學(xué)性能通常用消聲量大小和消聲頻譜特性來表示，主要是傳聲損失和插入損失.空氣動(dòng)力性能是衡量消聲器好壞的重要指標(biāo)，反映消聲器對(duì)氣流阻力的大小，主要是壓力損失和阻力系數(shù).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(kuò)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(jìn)一步加劇流體間的相互摩擦，造成損失.與局部損失相對(duì)應(yīng)的是局部阻力系數(shù)，其大小取決于消聲器結(jié)構(gòu)形式、管道直徑和氣流速度.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.與沿程損失相對(duì)應(yīng)的是沿程阻力系數(shù)，其大小取決于消聲器壁面粗糙度及氣流速度.本文所研究的阻力系數(shù)并不是上述局部阻力系數(shù)和沿程阻力系數(shù)，而是與壓力損失和動(dòng)壓有關(guān)的一個(gè)比值.阻力系數(shù)定義為:通過消聲器前后的壓力損失與氣流動(dòng)壓之比值.它體現(xiàn)了消聲器對(duì)氣流阻力的大小，能全面反映消聲器的空氣動(dòng)力性能.下面以阻抗復(fù)合消聲器中常見的微穿孔板消聲器為例，利用CFD來計(jì)算阻力系數(shù)，并分析空氣流速和消聲器結(jié)構(gòu)對(duì)阻力系數(shù)的影響.

2.1 模型基礎(chǔ)

為便于計(jì)算和分析，對(duì)消聲器的工作條件假設(shè)如下:一是氣體流動(dòng)為定常流動(dòng)中的流;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(jì)重力影響.消聲器的物理模型如圖1.

圖1 消聲器模型圖Fig.1 Muffler model

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)定義，阻力系數(shù):

式中a為修正因子;pm為某點(diǎn)處的動(dòng)壓值.

式中N為測量點(diǎn)的個(gè)數(shù);v1為每一個(gè)點(diǎn)的速度值，m/s;vm為截面中心處氣流速度值，m/s.

式中p為空氣密度;v為平均空氣速度;g為全力加速度.

［12-13］，控制方程為:

式中φ為通用變量;Γ和S分別為與φ相對(duì)應(yīng)的廣義擴(kuò)散系數(shù)及廣義源項(xiàng)，三者對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1;V為速度矢量;ρ為空氣密度.

表1 φ、Γ和S對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 The corresponding relations ofφ、Γand S

u、v、w分別為x、y、z三個(gè)方向的速度，T為絕對(duì)溫度，k為湍流粘性系數(shù)，G為湍流應(yīng)力，Cu、C1、C2、σε、σT和σk分別為量綱一常數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，Su、Sv、和Sw分別為x、y、z三個(gè)方向的源項(xiàng).

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=9.8m/s2，消聲器的外面空氣流速u=v=w=0.

特定截面的全壓為:

式中:ps為截面的氣流靜壓.

消聲器的壓力損失為:

2.3 簡化模型

阻抗復(fù)合消聲器類型較多，簡化模型如圖1.

2.4 基本條件

模型消聲器入口長度L=60mm，入口直徑D=50mm，出口長度L1=60mm，出口直徑D=50mm，擴(kuò)張腔長度L=200mm，直徑D=100mm，空氣密度為1.23kg/m.邊界條件與實(shí)踐工作條件基本相同:輸入流體溫度803K，輸出流體溫度300K，消聲器材料為Q235A，厚度1.5mm，溫度700K.

2.5 計(jì)算結(jié)果

利用CFD，將模型的數(shù)值編制成計(jì)算機(jī)程序上機(jī)計(jì)算，具體計(jì)算過程不闡述，計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 阻力系數(shù)求解結(jié)果Table 2 Numerical solution of drag coefficient

2.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于消聲器阻力系數(shù)測量比較繁瑣，而阻力系數(shù)又與壓力損失有關(guān)，因此利用壓力損失的計(jì)算值和測量值對(duì)比來驗(yàn)證，也能說明問題.為驗(yàn)證CFD方法的準(zhǔn)確性，參照文獻(xiàn)［15］，分別在距離消聲器出入口5mm的截面上，均勻的選取5個(gè)點(diǎn)，以此5個(gè)點(diǎn)的全壓值作為出入口的全壓值，兩者之差即為消聲器的壓力損失，入口空氣流速為35m/s.并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測值與計(jì)算值見表3.從表中看出，二者有一定的誤差，這主要因?yàn)閷?shí)際測量中環(huán)境的影響、儀器本身的精度、人為讀數(shù)的偏差以及CFD計(jì)算的理想化與實(shí)物的差別等均會(huì)造成實(shí)測值與計(jì)算值的不太吻合，計(jì)算值整體小于測量值.但這誤差率在10%以下，在工程中是可以接受的.這也說明利用CFD方法在消聲器動(dòng)力學(xué)分析中是有效的.

表3 壓力損失計(jì)算值與測量值對(duì)比表Table 3 Comparison of pressure loss between measurement value and calculation

3 阻力系數(shù)影響因素分析

消聲器必須要有良好的空氣動(dòng)力性能，特別是安裝消聲器后輸氣是否通暢，對(duì)風(fēng)量有無影響，風(fēng)壓有無變化等.而阻力系數(shù)給全面反映消聲器的空氣動(dòng)力性能.而通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，阻力系數(shù)與下列因素有關(guān).

3.1 速度

從表2可以看出阻力系數(shù)隨速度增大而增大.這是因?yàn)橄暺鞯膲毫p失隨流體速度的增大而增大.流體在流動(dòng)過程中，由于沿程損失增大，壓力損失隨之增大.圖2為不同速度下的阻力系數(shù)變化圖.

圖2 不同速度下的阻力系數(shù)變化曲線圖Fig.2 The curve changes of resistance coefficient under different speed

3.2 結(jié)構(gòu)

不同結(jié)構(gòu)的消聲器其阻力系數(shù)大小也不一樣.通過不同模型消聲器阻力系數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)消聲器的結(jié)構(gòu)對(duì)阻力系數(shù)有不同影響.

3.2.1 插入管

消聲器可分為無內(nèi)插管和帶內(nèi)插入管單腔消聲器，從計(jì)算結(jié)果看，二者的阻力系數(shù)都隨膨脹腔長度的增大而增大.但是，有插入管的消聲器的阻力系數(shù)小于無插入管.這是因?yàn)橛胁迦牍苁钩隹谒俣缺韧恢脽o插入管的速度高，動(dòng)壓增加，阻力系數(shù)變小.而無插入管的消聲器其壓力損失大于有插入管的，阻力系數(shù)也大.如圖3.

圖3 有、無內(nèi)插入管消聲器阻力系數(shù)變化曲線圖Fig.3 The curve changes ofresistance coefficient with and without inserting duct in muffler

3.2.2 膨脹腔長度

消聲器的膨脹腔長度不同，其阻力系數(shù)也不一樣.通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，膨脹腔長度增大，阻力系數(shù)增大.這是因?yàn)榕蛎浨婚L度增大，壓力損失相應(yīng)增大.如圖4.

圖4 阻力系數(shù)隨膨脹腔長度變化曲線圖Fig.4 The curve changes ofresistance coefficient with the length of the inflation cavity

3.2.3 穿孔率

對(duì)于微穿孔消聲器，其穿孔率對(duì)阻力系數(shù)也有影響.在穿孔孔徑不變的情況下，對(duì)橫流微穿孔消聲器，隨著穿孔率的增大，阻力系數(shù)變小.這是因?yàn)椋┛茁手饾u增大，穿孔處流通面積增大，氣流速度低，穿孔造成的壓力損失變小，阻力系數(shù)隨之減小，如圖5.對(duì)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?yàn)榇┛茁首兇?，進(jìn)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，如圖6.

圖5 橫流穿孔消聲器阻力系數(shù)隨穿孔率變化曲線圖Fig.5 The change curve of resistance coefficient of cross-flow perforated muffler with perforation rate

圖6 直流穿孔消聲器阻力系數(shù)隨穿孔率變化曲線圖Fig.6 The change curve of resistance coefficient of direct-flow perforated muffler with perforation rate

3.2.4 穿孔直徑

穿孔直徑對(duì)阻力系數(shù)也有影響.在穿孔率不變的情況下，對(duì)橫流微穿孔直徑變大，流速變小，壓力損失變小，如圖7.對(duì)直流穿孔消聲器增加，阻力系數(shù)變大.這是因?yàn)榇┛字睆阶兇?，進(jìn)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，如圖8.但這種變化范圍較小，也就是相對(duì)橫流微穿孔消聲器，變化不大明顯.

圖7 橫流穿孔消聲器阻力系數(shù)隨穿孔直徑變化曲線圖Fig.7 The change curve of resistance coefficient of cross-flow perforated muffler with perforation diameter

圖8 直流穿孔消聲器阻力系數(shù)隨穿孔直徑變化曲線圖Fig.8 The change curve of resistance coefficient of direct-flow perforated muffler with perforation diameter

3.3 內(nèi)部流場

消聲器的內(nèi)部流場主要表現(xiàn)在內(nèi)部氣流的速度場，壓力場的分布特點(diǎn)以及相互關(guān)系.

借鑒文獻(xiàn)［15］，消聲器的速度場與壓力場具有相似的分布規(guī)律，消聲器煙筒內(nèi)的氣流速度大于入口流速，而入口流速又高于出口流速.入口處的氣流速度對(duì)消聲器的阻力系數(shù)影響較大.

4 應(yīng)用實(shí)例

以龍巖機(jī)械廠生產(chǎn)的30D叉車消聲器為例.利用CFD計(jì)算阻力系數(shù)，分析消聲器的性能，找出不足和原因，提出相應(yīng)的改進(jìn)方法，優(yōu)化消聲器的空氣動(dòng)力性能，再次通過CFD計(jì)算加以驗(yàn)證，把理論研究轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用.

4.1 物理模型

LG30D消聲器是以微穿孔為主的復(fù)合消聲器，其三個(gè)腔長度分別為:前腔335mm、中腔300mm、后腔275mm.膨脹長度200mm，直徑420mm，內(nèi)插入管長管為160mm，短管為40mm，穿孔管內(nèi)徑100mm，穿孔個(gè)數(shù)20個(gè)，穿孔直徑10mm，穿孔率9%.消聲器結(jié)構(gòu)如圖9.

圖9 消聲器結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Muffler structure

4.2 阻力系數(shù)計(jì)算

該叉車發(fā)動(dòng)機(jī)排量3L，轉(zhuǎn)速2600r/min，消聲器入口速度30m/s，利用CFD進(jìn)行計(jì)算，阻力系數(shù)為1.69，壓力損失2932Pa.

4.3 動(dòng)力性能分析

當(dāng)氣體從進(jìn)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.從該消聲器相關(guān)圖表中可以看出，插入管和穿孔區(qū)域是整個(gè)消聲器壓力損失最為嚴(yán)重的部位，也是能量消耗最為集中的部分.消聲器每個(gè)腔的壓力有差別.從進(jìn)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2500～5000Pa，中腔壓力范圍為1500～1900Pa，后腔壓力范圍為700～1000Pa.壓力損失在前腔較大，為3342Pa，主要集中在有穿孔結(jié)構(gòu)的區(qū)域;從內(nèi)部流場選取幾個(gè)穿孔位置分析，發(fā)現(xiàn)穿孔的入口氣流速度對(duì)阻力系數(shù)影響較大.也就是入口速度高，阻力系數(shù)大，壓力損失大，反之，變小.因此，降低消聲器入口處的速度，可降低壓力損失和阻力系數(shù)，也可降低氣流對(duì)消聲器氣體和穿孔管的沖擊，提高消聲器的使用壽命和消聲性能.另外，穿孔直徑和穿孔的配置對(duì)阻力系數(shù)和壓力損失影響較大，這也驗(yàn)證3.2.3和3.2.4所述.

該消聲器阻力系數(shù)較小，壓力損失不大，這在實(shí)際使用中已得到驗(yàn)證.但仔細(xì)分析，還有一些不足.如消聲器中長插入管偏長，已進(jìn)入到后腔，氣流緩沖、回轉(zhuǎn)路徑偏短，不利于氣體流動(dòng).前腔與中腔長度較接近，消聲頻率基本一致，不利于消聲.穿孔直徑和配置還可以進(jìn)一步優(yōu)化.因此，在保證消聲的前提下，對(duì)消聲器進(jìn)行改進(jìn):一是將三個(gè)的長度分別調(diào)整為285mm、315mm、280mm.二是縮短長插入管的長度，使其插入到后腔的出口長度為零.三是將原先的10mm，20排穿孔改為8mm，10排的結(jié)構(gòu).再對(duì)改進(jìn)后的消聲器進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，其阻力系數(shù)為1.13，下降了33%;壓力損失為2150Pa，下降了27%.三個(gè)腔的速度也比較均勻，消聲器的消聲性能和空氣動(dòng)力性能更好.

5 結(jié)論

(1)利用CFD方法對(duì)消聲器進(jìn)行計(jì)算和分析是可行的，可以為消聲器設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供理論基礎(chǔ).

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

(3)相同條件下，空氣流速增加，阻力系數(shù)增大，壓力損失增加.

(4)消聲器的結(jié)構(gòu)對(duì)阻力系數(shù)的影響較大.有插入管的消聲器的阻力系數(shù)小于無插入管.膨脹腔長度增大，阻力系數(shù)增大.

(5)對(duì)于微穿孔消聲器其穿孔直徑和穿孔率對(duì)阻力系數(shù)有很大影響.穿孔的優(yōu)化配置可以使消聲器有比較好的空氣動(dòng)力性能.

(6)消聲器的速度場與壓力場具有相似的分布規(guī)律，消聲器煙筒內(nèi)的氣流速度大于入口流速，而入口流速又高于出口流速.入口處的氣流速度對(duì)消聲器的阻力系數(shù)影響較大.

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