柴油發(fā)電機排氣消聲器的聲學(xué)性能研究

楊志杰，張 杰，姚新改，鮑海鵬

（太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

柴油發(fā)電機組的噪聲主要包括柴油機的燃燒噪聲、結(jié)構(gòu)振動噪聲、電磁噪聲以及進、排氣噪聲[1]。由于柴油發(fā)電機處組于發(fā)電機房內(nèi)，排氣噪聲是發(fā)電機房對外界環(huán)境的影響最主要的因素，因此發(fā)電機房的噪聲治理關(guān)鍵在排氣噪聲治理。在排氣系統(tǒng)中安裝消聲器是降低排氣噪聲最重要、最有效的途徑[2]。柴油發(fā)電機組的排量相對較大，因此根據(jù)其排量設(shè)計的消聲器容積也較大。消聲器的聲學(xué)性能用消聲量（包括計權(quán)聲級和各頻帶聲壓級的消聲量）來表征。消聲量的量度主要有傳聲損失、末端減噪量、插入損失和聲衰減量[3]。傳聲損失不依賴于消聲器的工作環(huán)境，是消聲器特有的參數(shù)，通常情況下都被用作消聲器評價的基本參數(shù)[4]。由于消聲器的結(jié)構(gòu)較大且壁面較薄，因此聲場與結(jié)構(gòu)的耦合作用較為明顯，這會影響消聲器傳聲損失的計算。學(xué)者在研究消聲器聲學(xué)性能時，主要針對汽車、輪船等移動設(shè)備的發(fā)動機進行研究，有學(xué)者針對汽車排氣消聲器進行了多物理場的耦合分析，但對于聲固耦合的分析，并未針對消聲器各階結(jié)構(gòu)模態(tài)分析其傳聲損失；對處于發(fā)電機房中的柴油發(fā)電機組的消聲器研究較少，尤其是對于消聲器聲固耦合的研究也較少[5]。針對為某237kW中型柴油發(fā)電機組設(shè)計的排氣消聲器的第一腔，使用Virtual.Lab分析其結(jié)構(gòu)模態(tài)，依據(jù)結(jié)構(gòu)模態(tài)對其結(jié)構(gòu)及施加與結(jié)構(gòu)的約束進行優(yōu)化；對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在有無氣流速度影響情況下分析其傳遞損失并對比結(jié)果，在有無聲固耦合影響下分析其傳遞損失并對比結(jié)果。

2 模型介紹

柴油發(fā)電機組的參數(shù)如下：柴油機為六缸四沖程、轉(zhuǎn)速為1500 r/min、額定功率為 237kW，缸數(shù)×行程為（125×147），壓縮比為15.0：1，排量為10.8L。據(jù)此設(shè)計的消聲器第一腔結(jié)構(gòu)尺寸，如表1所示。廢氣在排氣管內(nèi)流動的平均速度計算[6]，如式（1）所示。消聲器內(nèi)氣流平均速度為21.9m/s。

式中：v—廢氣平均速度，m/s；D—排氣管直徑，mm；n—曲軸轉(zhuǎn)速，r/min；L—發(fā)動機排量，mm3。

表1 消聲器第一腔結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Size of the First Cavity of the Muffler

3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

消聲器是針對該柴油發(fā)電機組設(shè)計的，所以消聲器的結(jié)構(gòu)模態(tài)應(yīng)避開柴油發(fā)電機組排氣噪聲的基頻，以避免消聲器結(jié)構(gòu)發(fā)生共振而產(chǎn)生較大的噪聲甚至破壞消聲器結(jié)構(gòu)。該柴油發(fā)電機組的排氣排氣噪聲基頻為：

式中：i—諧波次數(shù) i=1，2，3，…；n—主軸轉(zhuǎn)速 r/min；z—發(fā)動機氣缸數(shù)；τ—行程系數(shù)，四行程的τ=2。

消聲器結(jié)構(gòu)的模型網(wǎng)格劃分，如圖1所示。約束定義為約束消聲器前后壁面的突起處垂直于消聲器長度方向的面上水平方向和豎直方向的移動自由度。經(jīng)仿真計算得其結(jié)構(gòu)模態(tài)前五階模態(tài)頻率數(shù)值，如表2所示。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.1 Mesh of Muffler Structure

表2 結(jié)構(gòu)模態(tài)前五階頻率Tab.2 Structural Modal First Five Order Frequency

一階模態(tài)為剛體模態(tài)。從表2可以看出彈性殼體模態(tài)第一階，也就是第二階模態(tài)為67.947Hz，距離排氣噪聲基頻75Hz較近，若柴油發(fā)電機處于不穩(wěn)定工作狀態(tài)，則極有可能引起消聲器結(jié)構(gòu)共振，從而使消聲器本身產(chǎn)生較大的噪聲，甚至破壞消聲器結(jié)構(gòu)。消聲器結(jié)構(gòu)第二階模態(tài)，如圖2所示。從圖2中可以看出消聲器第二階振型主要在軸向的四個較大的結(jié)構(gòu)表面，為了使消聲器結(jié)構(gòu)模態(tài)避開排氣噪聲的基頻，在消聲器的中部加筋，并在消聲器入口端施加垂直于入口管管道軸線的平面上水平和豎直方向的約束。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)第二階模態(tài)振型，如圖3所示。從圖3可以看出，與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)模態(tài)云圖對比，在第二節(jié)結(jié)構(gòu)模態(tài)振型中，消聲器軸向的四個較大的結(jié)構(gòu)表面振動明顯減弱，而振動主要發(fā)生在消聲器前后兩個端面。

圖2 消聲器第二階模態(tài)振型Fig.2 Second Modal Vibration Mode of Muffler

圖3 優(yōu)化后消聲器第二階模態(tài)振型Fig.3 Second Order Modal Vibration Mode of Optimized Muffler

優(yōu)化后的消聲器前五階模態(tài)頻率與優(yōu)化前對比，如表3所示。從表3可以看出，除了第一階剛體模態(tài)之外，前五階模態(tài)頻率頻率均有明顯增大，且結(jié)構(gòu)最小彈性模態(tài)遠離了發(fā)電機排氣噪聲的基頻。足以說明優(yōu)化的效果明顯。

表3 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)模態(tài)前五階頻率對比Tab.3 First Five Order Frequency Comparison of Structure Before and After Optimization

4 消聲器傳聲損失仿真分析

消聲器傳聲損失的定義為入口入射聲功率級與出口輻射聲功率級之差。當(dāng)消聲器的入口和出口截面積相同時，消聲器的傳聲損失計算式如下[7]：

式中：Win、Wout—入口聲功率級和出口聲功率級；p1—入口聲壓；p2—出口輻射聲壓。

單腔擴張室抗性消聲器的傳聲損失理論計算公式如下：

式中：m—消聲器的擴張比；f—聲波頻率；c—聲速；l—擴張室的長度。

按照最大計算頻率對聲學(xué)網(wǎng)格的要求對消聲器的內(nèi)部流場進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。根據(jù)式（4）計算所得消聲器的傳聲損失與應(yīng)用軟件Virtual.Lab仿真分析剛性壁面不考慮流體流速的消聲器傳聲損失對比曲線圖，如圖5所示。

圖4 消聲器擴張室部分內(nèi)部流場網(wǎng)格劃分Fig.4 Flow Field Mesh in Part of the Expansion Chamber of Muffler

圖5 消聲器傳聲損失理論計算值與仿真分析曲線對比Fig.5 Comparison of Theoretical Calculation and Simulation Analysis for the Transmission Loss of Muffler

從上圖可以看出仿真計算與理論計算在傳聲損失第一個波段的各處均吻合的很好，在低頻段的走勢相符，隨著頻率升高，仿真計算的波峰峰值呈上升趨勢，這與文獻[4]的仿真結(jié)果吻合；超過截止頻率以后，仿真計算與理論計算的趨勢不再相符，這是因為超過截止頻率以后，消聲器的傳聲損失不在符合一維平面波理論?？傮w來看，仿真計算與理論計算值在頻率低于截止頻率時偏差微小，可以認(rèn)為仿真計算在頻率低于截止頻率時是可信的。

5 氣流流速影響下的剛性壁面消聲器傳聲損失仿真分析

消聲器內(nèi)氣流速度對于擴張室消聲器的消聲性能的影響，主要由于降低了其有效擴張比而降低了其傳聲損失。由1中計算所得，消聲器內(nèi)的氣流平均速度為21.9m/s，以此速度作為消聲器入口氣流速度邊界條件。使用Virtual.Lab計算得消聲器內(nèi)部氣流流動平均速度矢量圖，如圖6所示。以該速度矢量作為邊界條件，使用Virtual.Lab仿真計算所得消聲器的傳聲損失與無氣流影響下傳聲損失的對比，如圖7所示。由圖可看出當(dāng)入口氣流平均速度為21.9 m/s時，消聲器的傳聲損失降低，隨著頻率的升高，消聲器傳聲損失受氣流速度影響而降低的幅值變大，但降低的幅值相對于消聲器的傳聲損失太小，因此在21.9m/s的氣流平均速度下，也就是在柴油發(fā)電機組正常工作下，可以忽略氣流速度對消聲器傳聲損失的影響。

圖6 消聲器內(nèi)部流動速度矢量圖Fig.6 Flow Velocity Vector Inside the Muffler

圖7 有無氣流流速影響的消聲器傳聲損失對比Fig.7 Comparison of the Transmission Loss of the Muffler with No Air Flow Velocity

6 聲固耦合效應(yīng)作用下消聲器傳聲損失仿真分析

傳統(tǒng)方法在計算消聲器傳聲損失時，為了簡化計算將消聲器的殼體簡化為剛體，而實際上，消聲器的殼體是彈性體，消聲器內(nèi)部的聲波與殼體之間有耦合作用，且所涉及的消聲器殼體較大且壁面較薄，這種耦合作用更為明顯?？紤]彈性邊界時，消聲器內(nèi)部空腔的聲學(xué)有限元方程為：（Kα-ω2Ma）P=ω2RUs（5）式中：Ma—聲學(xué)質(zhì)量矩陣；Kα—聲學(xué)剛度矩陣；P—聲壓向量；R—

流固耦合矩陣；Us—節(jié)點位移幅值向量。

對于結(jié)構(gòu)尺寸較大且壁面較薄的彈性殼體，需考慮聲壓對于結(jié)構(gòu)的作用。耦合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率方程為：

用Virtual.Lab做聲固耦合效應(yīng)作用下消聲器的傳聲損失與無聲固耦合效應(yīng)影響的傳聲損失結(jié)果對比圖，如圖8所示。從上圖中可以得出，在聲固耦合效應(yīng)影響下，消聲器的傳聲損失整體趨勢基本不變；消聲器的傳聲損失在除各階結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率之外的頻率點處有所降低，尤其是在消聲器的通過頻率處，即在消聲器傳聲損失的波谷處，消聲器的傳聲損失變?yōu)樨撝?，說明消聲器在其通過頻率處，非但沒有消聲效果，反而由于聲固耦合而產(chǎn)生噪聲；在消聲器的各階結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率處，消聲器的傳聲損失有突變，但突變不具有規(guī)律性，說明聲固耦合效應(yīng)對于消聲器內(nèi)部聲場的分布在各頻率段的影響不同。

圖8 有無聲固耦合影響消聲器的傳聲損失對比Fig.8 Comparison of the Transmission Loss of the Muffler with the Silent Solid Coupling

7 結(jié)語

（1）依據(jù)結(jié)構(gòu)模態(tài)的云圖及模態(tài)頻率數(shù)值對消聲器的結(jié)構(gòu)以及約束條件進行優(yōu)化，優(yōu)化后消聲器的結(jié)構(gòu)模態(tài)遠離了發(fā)電機排氣噪聲的基頻，可以有效防止消聲器與排氣噪聲共振而引起消聲器的傳聲損失的降低，并避免消聲器結(jié)構(gòu)由于共振而發(fā)生破壞；（2）使用Virtual.Lab先計算出消聲器內(nèi)部氣流平均速度云圖，然后將該速度作為入口氣流速度邊界條件計算消聲器的傳聲損失，與無氣流影響下傳聲損失對比，柴油發(fā)動機組在正常工作情況下，其排氣氣流的速度對消聲器的傳聲損失的影響可以忽略；（3）分別計算出消聲器的結(jié)構(gòu)模態(tài)和內(nèi)部流場的聲模態(tài)，以此為邊界條件計算消聲器的內(nèi)部聲場，根據(jù)消聲器入口與出口的中心點的聲場計算出消聲器的傳聲損失。與不考慮結(jié)構(gòu)振動的消聲器傳聲損失對比，消聲器在其通過頻率處其傳聲損失變?yōu)樨撝?，即聲固耦合產(chǎn)生了額外噪聲；在各階結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率處，消聲器傳聲損失有突變，但突變不具有規(guī)律性。

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