介質(zhì)流速對(duì)空調(diào)消音器綜合性能的影響

夏增強(qiáng)，吳俊鴻，高智強(qiáng)

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

0 引言

家用空調(diào)器室內(nèi)機(jī)噪音是影響其舒適性的重要因素，傳遞音是常見的室內(nèi)機(jī)噪音，通常是壓縮機(jī)噪音通過制冷劑傳遞到室內(nèi)側(cè)，影響室內(nèi)的舒適性[1-3]。在制冷壓縮機(jī)排氣管設(shè)置抗性消聲器，利用聲波反射和干涉原理，是解決傳遞音問題的有效方法[4-6]。該消音器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易加工成型的特點(diǎn)，由于消聲頻率窄且壓損大，使用場(chǎng)合受到限制。

針對(duì)抗性消音器存在的問題，LIU等[7]研究了消音器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲性能的影響。季振林[8]研究了穿孔結(jié)構(gòu)對(duì)其消聲學(xué)性能影響，ALLAM等[9]研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消音器綜合性能的影響，ZHAO等[10]研究穿孔結(jié)構(gòu)對(duì)再生流噪聲的影響。

本文基于介質(zhì)流速影響，從消聲性能、再生噪音和壓力損失角度，分析了空調(diào)用抗性消音器的綜合性能。

1 消聲性能影響分析

1.1 消音器傳遞損失計(jì)算

傳遞損失TL又稱消聲量，定義為消音器入射聲功率Wi與透射聲功率Wt之比的對(duì)數(shù)的10倍：

式中，假設(shè)消音器的出口是無限均勻管道或消聲末端，不存在末端反射[11-13]。根據(jù)抗性消音器結(jié)構(gòu)形式不同，分為擴(kuò)張室消音器、插入管消音器和穿孔管消音器。表1所示為3種消音器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 不同類型消音結(jié)構(gòu)

表1 各消音器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1.1 擴(kuò)張室消音器

擴(kuò)張室消音器根據(jù)截面突變導(dǎo)致聲波反射后相互干涉消聲[14]，基本結(jié)構(gòu)是在截面積為S1的管道中接入一段截面積為S2、長(zhǎng)度為l的管道組成。消聲量計(jì)算公式為：

式中，m為擴(kuò)張比，m=S1/S2；l為擴(kuò)張室長(zhǎng)度，m。擴(kuò)張比m決定消音器消聲量，擴(kuò)張室長(zhǎng)度l決定消聲頻率。

1.1.2 插入管消音器

插入管消音器是擴(kuò)張室消音器基礎(chǔ)上內(nèi)接一段截面積為S1的插入管，等效于改變消聲器擴(kuò)張室長(zhǎng)度。消聲量計(jì)算公式為：

式中，m為擴(kuò)張比，m=S1/S2；l為擴(kuò)張室長(zhǎng)度，m；l2為插入管深度，m。擴(kuò)張比m決定消音器消聲量，擴(kuò)張室長(zhǎng)度l和插入管深度l2決定消聲頻率。

1.1.3 穿孔管消音器

穿孔管消音器是擴(kuò)張室消音器和共振消音器組合，共振腔基本消聲原理是赫姆霍茲共振器[15]，其共振頻率為：

式中，c0為聲速，m/s；S為小孔面積，m2；V為共振腔體積，m3；l為小孔的有效高度，m。決定共振頻率的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為小孔面積S，共振腔體積V，和孔的有效高度l。有效高度修正為l=lk+0.7d，lk為穿孔高度，d為小孔直徑。

1.2 消聲性能對(duì)比分析

通過有限元仿真的方法對(duì)比不同消音器結(jié)構(gòu)消聲特性，在此基礎(chǔ)上研究介質(zhì)流速消音器消聲特性影響。仿真條件為聲音在R32制冷劑中傳播速度c=220 m/s。

1.2.1 各結(jié)構(gòu)消聲特性對(duì)比分析

圖 2所示為不同結(jié)構(gòu)消音器消聲性能對(duì)比曲線。由圖2可知，擴(kuò)張室消音器低頻（3 kHz以下）出現(xiàn)消聲量為零的頻率點(diǎn)，不能滿足整機(jī)通用性要求；穿孔管消音器4 kHz以下，保留了擴(kuò)張室消音器消聲特性，4 kHz以上具有共振消音器的特性，因此不能滿足整機(jī)低頻消聲需求。插入管消音器改變了擴(kuò)張室消音器低頻（3 kHz以下）出現(xiàn)消聲量為零的頻率點(diǎn)的特性，通過改變插入管深度，實(shí)現(xiàn)不同消聲頻段的需求。

1.2.2 介質(zhì)流速對(duì)消聲特性影響分析

對(duì)于某單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，將氣體等效為體積不可壓縮計(jì)算，60 Hz流速約為13.9 m/s，文中研究介質(zhì)流速小于15 m/s時(shí)對(duì)消音器性能影響。

圖3所示為不同介質(zhì)流速下消聲性能的對(duì)比。由圖3可知，消音器消聲性能受介質(zhì)流速小于15 m/s時(shí)對(duì)消聲性能影響很小，可忽略不計(jì)。

圖2 不同消音器結(jié)構(gòu)消聲性能對(duì)比

圖3 不同介質(zhì)流速下消聲性能的對(duì)比

2 再生噪音影響分析

2.1 再生噪音產(chǎn)生機(jī)理分析

介質(zhì)流速對(duì)消聲器消聲性能的影響主要是氣流在消聲器內(nèi)產(chǎn)生一種附加噪聲，即氣流再生噪聲[16-19]。當(dāng)氣流流過消聲器時(shí)，將遇到消聲器殼內(nèi)的截面突變、穿孔板和彎頭等情況產(chǎn)生渦流以及氣流和消聲管道表面的摩擦而發(fā)出噪聲[20]。這種噪聲將降低消聲器的消聲效果，使消聲器所表現(xiàn)出來的消聲性能大大降低，

嚴(yán)重時(shí)使消聲器失效，甚至變成噪聲發(fā)生器。

2.2 再生噪音對(duì)比分析

在流體仿真軟件中，設(shè)定入口介質(zhì)流速，監(jiān)測(cè)出口聲功率，邊界條件設(shè)置如表2所示。進(jìn)口邊界分別設(shè)置為速度0～25 m/s，間隔為5 m/s，出口邊界設(shè)置為自由流出。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，迭代次數(shù)設(shè)置5,000左右，只要能結(jié)果收斂，迭代次數(shù)可小于5,000。

表2 再生噪音仿真邊界條件

圖4所示為通過不同結(jié)構(gòu)消音器速度云圖。由圖4可知，擴(kuò)張室消音器進(jìn)出口距離較大，氣流易發(fā)散，沖擊突變截面后更容易形成渦流；插入管消音器有效減短了進(jìn)出口間距，降低了渦流的產(chǎn)生；穿孔管消音器等效于將進(jìn)出口連通，通過小孔進(jìn)入腔體的流速減小，產(chǎn)生的渦流噪音較低。

圖4 入口介質(zhì)流速10 m/s時(shí)不同結(jié)構(gòu)內(nèi)速度云圖

對(duì)比不同結(jié)構(gòu)，介質(zhì)沖擊產(chǎn)生再生噪音由大到小依次為擴(kuò)張室消音器、內(nèi)插管消音器和穿孔管消音器（如圖5所示）。由圖5可知，隨著介質(zhì)流速的增加，各結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪音均增加。

圖5 不同消音器結(jié)構(gòu)再生噪音對(duì)比

3 壓力損失影響分析

3.1 壓力損失影響理論分析

抗性消聲器的壓力損失主要包括沿程損失和局部損失[21]。沿程損失是由流體的黏滯力造成的損失，這種損失的大小與流體的流動(dòng)狀態(tài)有著密切的關(guān)系。圖6所示為抗性消音器結(jié)構(gòu)。

圖6 無插入管消音器結(jié)構(gòu)

采用半經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算消聲器的沿程損失：

式中，L為消音器筒體有效長(zhǎng)度，m；D為消音器內(nèi)徑，m；v2/2g為單位重量流體的動(dòng)壓；λ為沿程損失系數(shù)，與流體的黏度、流速和管道的內(nèi)徑以及管壁粗糙度等有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)確定。

影響沿程損失主要參數(shù)為沿程損失系數(shù) λ、消音器筒體有效長(zhǎng)度L2、消音器內(nèi)徑D和介質(zhì)流速v。

局部損失是在管件附近的局部范圍內(nèi)主要由流體速度分布急劇變化、流體微團(tuán)的碰撞、流體中產(chǎn)生的漩渦等造成的損失。

消聲器局部損失計(jì)算公式為：

式中，ζ為局部損失系數(shù)，分為突擴(kuò)和突縮截面；A1為小截面管道截面積，m2；A2為大截面管道截面積，m2。影響局部損失主要參數(shù)為突縮、突擴(kuò)面積比和介質(zhì)速度v。

3.2 壓力損失影響對(duì)比分析

在流體仿真軟件中，給予+3 MPa靜壓，通過計(jì)算不同結(jié)構(gòu)和不同流速下出入口壓差，評(píng)估結(jié)構(gòu)及介質(zhì)流速對(duì)系統(tǒng)壓力損失的影響，邊界條件設(shè)計(jì)如表3所示。進(jìn)口邊界設(shè)置為速度0～25 m/s（間隔為5 m/s），出口邊界設(shè)置速度為0～25 m/s，間隔為5 m/s。為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，迭代次數(shù)設(shè)置5,000左右，只要能保證結(jié)果收斂，迭代次數(shù)可以小于5,000。

表3 壓力損失仿真邊界條件

圖7所示為不同消音器結(jié)構(gòu)壓力損失對(duì)比。由圖7可知，介質(zhì)沖擊產(chǎn)生壓力損失由大到小分別是：擴(kuò)張室消音器＞內(nèi)插管消音器＞穿孔管消音器，隨著介質(zhì)流速的增加，各結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力損失均增加。對(duì)于插入管消音器，等效于減短了式（7）中的 L，因此相對(duì)于擴(kuò)張室消音器壓力損失降低；穿孔管消音器既等效于減短式（7）中的L，又改變式（9）中的截面比，相對(duì)于擴(kuò)張室消音器，壓力損失同樣降低。

圖7 不同消音器結(jié)構(gòu)壓力損失對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過有限元仿真的方法研究介質(zhì)流速對(duì)消聲性能、再生噪音和壓力損失的影響，并通過擴(kuò)張室消音器、插入管消音器和穿孔管消音器的綜合性能的對(duì)比，確定插入管消音器最適合空調(diào)系統(tǒng)使用，得到如下結(jié)論：

1）介質(zhì)流速小于15 m/s時(shí)，對(duì)空調(diào)用抗性消音器消聲性能影響可以忽略；

2）插入管消音器低頻消聲帶寬是普通擴(kuò)張室消音器的2倍，穿孔管消音器則保留了擴(kuò)張室消音器該頻段的消聲特性，因此在結(jié)構(gòu)尺寸一致的前提下，插入管消音器具有較優(yōu)的消聲性能；

3）相同介質(zhì)流速10 m/s下，插入管消音器相對(duì)于無插入管擴(kuò)張室消音器再生噪音和壓力損失分別降低了18%和33%；

4）從綜合性能分析，插入管消音器結(jié)構(gòu)最優(yōu)，既拓寬了低頻消聲頻率范圍，又具有相對(duì)較小的再生噪音和壓力損失。