船舶通氣管路噪聲特性數(shù)值分析與控制

魏杰證 林永水 吳衛(wèi)國 顧 鑫 王獻(xiàn)忠

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)理學(xué)院2) 武漢 430070)

0 引 言

船舶空調(diào)等通氣管路作為船舶聲振激勵(lì)源之一，在實(shí)現(xiàn)通風(fēng)、調(diào)節(jié)溫度等功能的同時(shí)，由于管內(nèi)氣體流動(dòng)，不僅會(huì)直接產(chǎn)生流噪聲，還會(huì)引起管壁振動(dòng)，產(chǎn)生輻射噪聲.另外，船舶空調(diào)等通氣管路直接與上層建筑居住艙室相連接，受到空間和質(zhì)量嚴(yán)格限制，尺寸不能太大，且為確保完成相應(yīng)功能，管內(nèi)流速相對(duì)較高.

目前，國內(nèi)外關(guān)于通氣管路噪聲的計(jì)算方法主要包括理論方法、試驗(yàn)測試和數(shù)值計(jì)算.Yi等[1]在消聲室內(nèi)測量了管內(nèi)流體導(dǎo)致的管壁振動(dòng)和管口噪聲特性.Mori等[2]在背景噪聲低于30 dB情況下，測量了不同流速下管口監(jiān)測點(diǎn)噪聲頻譜特性.數(shù)值計(jì)算方面，Ayar等[3]利用計(jì)算流體軟件和聲學(xué)計(jì)算軟件相結(jié)合的方法，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流噪聲進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究.Lee等[4]通過CFD對(duì)風(fēng)管內(nèi)部流場進(jìn)行計(jì)算，然后將流場信息轉(zhuǎn)換為等效聲源，基于聲學(xué)邊界元進(jìn)行輻射聲場的計(jì)算，并將數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)二者在整個(gè)計(jì)算頻率范圍內(nèi)比較吻合，證明了數(shù)值方法的可靠性.Liu等[5]對(duì)通氣彎管的噪聲頻譜特性進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，首先利用k-ε模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，收斂后基于LES進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，輸出聲源結(jié)果文件，然后進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算.徐俊偉等[6]對(duì)幾種氣體流動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了介紹分析，并指出聯(lián)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件和聲學(xué)計(jì)算軟件的混合計(jì)算方法能較真實(shí)的預(yù)測工程問題.嚴(yán)旭等[7]通過流體計(jì)算軟件和聲學(xué)計(jì)算軟件對(duì)某車型駕駛室空調(diào)風(fēng)管流動(dòng)噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.潘友鵬[8]利用Fluent和Virtual.Lab對(duì)某導(dǎo)管架平臺(tái)通氣管路噪聲頻譜特性進(jìn)行了數(shù)值分析研究.擴(kuò)張管降噪技術(shù)方面，Lee等[9]針對(duì)管路流動(dòng)噪聲，提出了設(shè)計(jì)加裝擴(kuò)張管的降噪技術(shù)，對(duì)其降噪效果進(jìn)行了數(shù)值分析，指出合理的擴(kuò)張尺寸可顯著降低管路流動(dòng)噪聲.李強(qiáng)[10]針對(duì)空調(diào)管路系統(tǒng)噪聲，提出合理確定管路截面形式的降噪措施，并采用聲場模擬軟件Raynoise對(duì)其進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)該措施有很好地降噪效果.顏建容[11]針對(duì)汽車空調(diào)管路噪聲問題，提出改善管路截面尺寸的降噪措施，并通過數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)比驗(yàn)證了該措施的有效性.

關(guān)于通氣管路流動(dòng)噪聲的計(jì)算方法，理論體系較完善，但求解相當(dāng)復(fù)雜；試驗(yàn)方法在成本各方面要求較高，受客觀條件限制較多；而數(shù)值計(jì)算方法成本較低，且能提供較完整的物理信息.因此，本文利用有限元軟件、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件和聲學(xué)計(jì)算軟件，基于邊界元方法(BEM)，對(duì)船舶典型通氣管路噪聲特性進(jìn)行了預(yù)報(bào)，探討了管口監(jiān)測點(diǎn)聲壓級(jí)及其頻譜特性在不同流速下的變化規(guī)律，并對(duì)擴(kuò)張管降噪技術(shù)進(jìn)行了一定的研究分析.

1 基本理論方程

1.1 LES湍流模型

LES主要思想是將復(fù)雜的湍流運(yùn)動(dòng)區(qū)分為大尺度渦和小尺度渦，在滿足流體力學(xué)基本方程基礎(chǔ)上，對(duì)湍流變量進(jìn)行濾波，得到LES控制方程

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；ui和uj為過濾后速度分量；μ為湍流黏性系數(shù)；τij為亞格子尺度應(yīng)力.

為使控制方程封閉，目前采用較多的亞格子模型是渦旋黏性模型

(3)

式中：δij為克羅內(nèi)克函數(shù)；υT為亞格子渦黏性系數(shù)；sij為雷諾尺度應(yīng)力張量.

1.2 FW-H方程

文獻(xiàn)[1]在Lighthill聲類比理論基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了FW-H方程：

(4)

式中：c0為遠(yuǎn)場聲速；p′為觀測點(diǎn)聲壓；ui為xi方向的流體速度分量；un和vn分別為垂直于積分面的流體速度分量和積分面移動(dòng)速度分量；δ(f)為Dirac函數(shù)；H(f)為Heaviside函數(shù)；pij和Tij分別為應(yīng)力張量和Lighthill張量.

2 通氣管路噪聲計(jì)算與分析

2.1 管路結(jié)構(gòu)有限元模型

由于通氣管路內(nèi)部氣體流動(dòng)，其不僅會(huì)直接產(chǎn)生流噪聲，還會(huì)引起管壁振動(dòng)，產(chǎn)生輻射噪聲.為了更加真實(shí)模擬通氣管路噪聲問題，引入結(jié)構(gòu)模態(tài).因此，首先利用有限元軟件Patran建立圖1的典型通氣彎管的結(jié)構(gòu)有限元模型，并通過Nastran進(jìn)行模態(tài)分析，得到包含管路結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果和有限元網(wǎng)格模型的.op2文件.

圖1 管路有限元模型

2.2 管內(nèi)流場計(jì)算

在ICEM中建立計(jì)算彎管的幾何模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并保存為mesh文件，管路網(wǎng)格見圖2.網(wǎng)格劃分是CFD計(jì)算中至關(guān)重要的一環(huán)，高質(zhì)量的網(wǎng)格能夠提高計(jì)算精度、減小計(jì)算時(shí)間，進(jìn)而提高計(jì)算效率.為更好地?cái)M合管路結(jié)構(gòu)形狀、減小網(wǎng)格數(shù)量，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.網(wǎng)格質(zhì)量(quality)、縱橫比(Aspect Ratio)以及最小角度(Min Angle)是進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)的主要檢查對(duì)象.本管路網(wǎng)格模型中，以上三個(gè)指標(biāo)分別控制在0.35，0.35，18°以上.

圖2 管路網(wǎng)格

將mesh文件導(dǎo)入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT.管路中介質(zhì)定義為空氣，密度ρ=1.225 kg/m3，黏度μ=1.789 4×10-5Pa·s.管路入口設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，并取V=10 m/s，出口設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet).然后，基于k-ε模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，達(dá)到收斂后，以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果為初始條件，基于LES湍流模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)后，打開FW-H聲學(xué)模塊，設(shè)置聲源，計(jì)算得到表征時(shí)域聲源數(shù)據(jù)的CGNS文件.計(jì)算完成后，管內(nèi)流線見圖3.

圖3 管內(nèi)流線圖

2.3 管口聲場計(jì)算

將表征時(shí)域聲源數(shù)據(jù)的CGNS文件導(dǎo)入聲學(xué)計(jì)算軟件Virtual.Lab，得到管壁壓力云圖見圖4.由圖3～4可知，管內(nèi)氣體沿流線運(yùn)動(dòng)過程中，隨著流速增大，壓力減??；流速減小，壓力增大.對(duì)于氣體沿流線運(yùn)動(dòng)過程中，可認(rèn)為能量總和保持不變，即總壓不變.忽略氣體重力，流速增大，則動(dòng)能(動(dòng)壓)變大，壓力能減小，即靜壓減小，反之亦然.

圖4 管壁壓力云圖

將Nastran計(jì)算的管路結(jié)構(gòu)模態(tài)結(jié)果導(dǎo)入聲學(xué)計(jì)算軟件Virtual.Lab.定義網(wǎng)格類型，并在距管路出口平面50 mm處定義一個(gè)與管路出口平面相平行的方形場點(diǎn)網(wǎng)格平面，將其中心設(shè)置為監(jiān)測點(diǎn)，并定義一個(gè)沿管路出口方向的場點(diǎn)網(wǎng)格平面.聲學(xué)網(wǎng)格見圖5，場點(diǎn)網(wǎng)格平面和管口監(jiān)測點(diǎn)見圖6.然后，將流體壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到邊界元網(wǎng)格上，并進(jìn)行傅里葉變換，將時(shí)域聲源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù).基于聲學(xué)邊界元方法(BEM)進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域聲場計(jì)算，進(jìn)而得到不同頻率下的聲壓級(jí)云圖，見圖7，監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)頻譜特性曲線見圖8.由圖5～8可知，沿管路出口方向，噪聲大致以管路出口平面圓心為中心，呈輻射狀減小，在與管路出口平面相平行的場點(diǎn)平面，噪聲以場點(diǎn)平面中心處為中心，呈輻射狀減小.另外，通氣管路噪聲聲壓級(jí)呈寬頻特性，并且低頻較高頻相對(duì)偏高.

圖5 聲學(xué)網(wǎng)格模型

圖6 場點(diǎn)網(wǎng)格平面和管口監(jiān)測點(diǎn)

圖7 監(jiān)測區(qū)域不同頻率聲壓級(jí)云圖

圖8 監(jiān)測點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜特性曲線

2.4 不同流速下管口聲場計(jì)算分析

船舶通氣管路入口流速對(duì)其通風(fēng)、調(diào)節(jié)溫度等使用功能以及居住艙室舒適性都有著一定影響.為了更加充分探究通氣管路入口流速對(duì)管路出口關(guān)心場點(diǎn)處聲壓級(jí)及其頻譜特性的影響規(guī)律，建立了圖9的管路模型.管路入口位置如圖所示，入口和3個(gè)出口橫截面相同，并在三個(gè)出口的相同位置設(shè)置了A，B，C三個(gè)監(jiān)測點(diǎn).在保持其它因素不變的情況下，本文選取了V=4，6，8，10，12，14 m/s 6個(gè)入口速度條件，進(jìn)行管路出口3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜特性的計(jì)算與分析.A，B，C三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在不同入口流速下1/3倍頻程聲壓級(jí)頻譜特性曲線和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)變化曲線見圖10.由圖10可知，在通氣管路不同入口流速下，管路出口監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)頻譜特性相似，頻譜特征及峰值特征與入口流速無關(guān).該結(jié)論與文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)結(jié)果是一致的，這也證明了本文數(shù)值計(jì)算方法的可靠性.另外，管路出口監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)與管路入口流速相關(guān)，其隨著流速的增大而升高，且在計(jì)算分析范圍內(nèi)，基本呈線性關(guān)系.在對(duì)稱的B，C兩位置，可以發(fā)現(xiàn)其聲壓級(jí)曲線基本重合，這也從側(cè)面驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算方法的可靠性.

圖9 管路模型及管口監(jiān)測點(diǎn)布置

圖10 不同入口流速下不同監(jiān)測點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜曲線和聲壓級(jí)變化曲線

3 擴(kuò)張管降噪技術(shù)仿真與分析

3.1 不同擴(kuò)張位置降噪效果分析

船舶通氣管路對(duì)上層建筑居住艙室舒適性有著重要的影響，尤其是在國家正大力研發(fā)大型及中型郵輪的今天，降低船舶通氣管路噪聲，對(duì)提高我國船舶舒適性和促進(jìn)郵輪發(fā)展都具有重要意義.而擴(kuò)張管利用管路橫截面形狀和尺寸的變化，使管內(nèi)流體發(fā)生分離，改善管內(nèi)流場特性，產(chǎn)生較大的壓降，減小管內(nèi)流體流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲.為了驗(yàn)證擴(kuò)張管的降噪效果，以及對(duì)比分析不同擴(kuò)張位置的影響，建立了圖11a)的普通彎管模型，以及在入口直管段和出口直管段分別采取擴(kuò)張結(jié)構(gòu)形式的彎管模型(1)和模型(2)，模型分別見圖11b)～c).

圖11 不同擴(kuò)張位置彎管模型

保持管路入口流速、模型整體尺寸、監(jiān)測點(diǎn)位置等因素不變，對(duì)三個(gè)不同彎管出口相同位置處監(jiān)測點(diǎn)的聲場進(jìn)行計(jì)算，可得普通彎管監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)為49.8 dB(A)，擴(kuò)張彎管模型(1)監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)為38.8 dB(A)，擴(kuò)張彎管模型(2)監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)為65.1 dB(A).三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)頻譜特性曲線，見圖12.由圖12可知，擴(kuò)張管可以對(duì)通氣管路噪聲起到較明顯的控制作用，并且在通氣管路不同位置處采取擴(kuò)張結(jié)構(gòu)形式的降噪效果是不同的.

圖12 不同擴(kuò)張位置彎管監(jiān)測點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜特性曲線

3.2 不同擴(kuò)張尺寸降噪效果分析

為了進(jìn)一步分析不同擴(kuò)張尺寸對(duì)通氣管路噪聲的控制效果，建立了圖13的未采取擴(kuò)張形式的普通彎管和不同擴(kuò)張尺寸的彎管模型，其擴(kuò)張?zhí)幹睆椒謩e為1.3D，1.5D，1.8D(D為管路直徑).

圖13 不同擴(kuò)張尺寸彎管模型

保持管路入口流速、模型整體尺寸、監(jiān)測點(diǎn)位置等因素不變，對(duì)不同擴(kuò)張尺寸彎管出口相同位置處監(jiān)測點(diǎn)的聲場進(jìn)行計(jì)算，可得普通彎管監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)為49.8 dB(A)，隨著擴(kuò)張尺寸變大，其監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)分別為38.8，44.1和38.9 dB(A).4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)頻譜特性曲線，見圖14.由圖14可知，在管路入口直管段同一位置，采取不同擴(kuò)張尺寸對(duì)該管路噪聲均能起到一定控制作用，且在較高頻率段內(nèi)降噪效果較好，其降噪效果受到擴(kuò)張尺寸的影響.對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用中，不僅要考慮降噪效果，還要綜合考慮空間、重量等因素限制，合理選擇擴(kuò)張尺寸.

圖14 不同擴(kuò)張尺寸彎管監(jiān)測點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜特性曲線

4 結(jié) 論

1) 典型彎管通氣管路噪聲聲壓級(jí)總體呈寬頻特性，并且低頻聲壓級(jí)較高頻相對(duì)偏高.

2) 不同入口流速下，通氣管路噪聲聲壓級(jí)頻譜特性相似，頻譜特征及峰值特征與入口流速無關(guān)，但場點(diǎn)聲壓級(jí)隨著流速的增大而升高，且在一定范圍內(nèi)，基本呈線性關(guān)系.

3) 擴(kuò)張管可以對(duì)通氣管路噪聲起到較明顯的控制作用，且在較高頻率段內(nèi)降噪效果較好.本文中，未采取擴(kuò)張形式及三種不同擴(kuò)張尺寸的管路模型，按擴(kuò)張尺寸逐漸變大的順序，其同一監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí)分別為49.8，38.8，44.1，38.9 dB(A).對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用中，不僅要考慮降噪效果，還要綜合考慮空間、重量等因素限制，合理選擇擴(kuò)張尺寸.

[1] YI J, PARK K, JUNG W, et al. A study on the radiated noise the prediction in the pipe by fluid induced vibration using the radiation efficiency and pipe surface vibration[J]. Transportation,2014,24(10):763-769.

[2] MORI M, MASUMOTO T, ISHIHARA K. Study on acoustic, vibration and flow induced noise characteristics of T-shaped pipe with a square cross-section[J]. Applied Acoustics,2017,120:137-147.

[3] AYAR A, AMBS R, CAPELLMANN C, et al. Prediction of flow-induced noise in automotive HVAC systems using a combined CFD/CA approach[C].SAE 2005 World Congress & Exhibition,2005.

[4] LEE D, LEE M H, IH K D, et al. Aeroacoustics predictions of automotive HVAC systems[J]. Sae Technical Papers,2010(1)：55-59.

[5] LIU E, YAN S, WANG D, et al. Large eddy simulation and FW-H acoustic analogy of flow-induced noise in elbow pipe[J]. Journal of Computational & Theoretical Nanoscience,2015,12(9):2866-2873.

[6] 徐俊偉,吳亞鋒,陳耿.氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算方法的比較與應(yīng)用[J].噪聲與振動(dòng)控制,2012,32(4):6-10.

[7] 嚴(yán)旭,龔旭.某車型空調(diào)通風(fēng)管道氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].2013中國汽車工程學(xué)會(huì)年會(huì),2013.

[8] 潘友鵬.導(dǎo)管架平臺(tái)舒適度研究[D].大連：大連理工大學(xué),2014.

[9] LEE S J, LIM H C. Effect of the inner material and pipe geometry on the flow and induced radiated noise[J]. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B,2014,38(5)：576-584.

[10] 李強(qiáng).民用建筑空調(diào)系統(tǒng)噪聲控制的研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2007.

[11] 顏建容.汽車空調(diào)系統(tǒng)及乘員室氣動(dòng)聲學(xué)特性優(yōu)化研究[D].長沙：湖南大學(xué),2010.