分流氣體對(duì)沖消聲器內(nèi)流場(chǎng)及再生噪聲分析

霍黎明，武 佩，蘇 赫，范秀琴，張永安，馬彥華

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古自治區(qū)草業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，呼和浩特010018；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 檔案館，呼和浩特010018）

安裝消聲器是降低柴油機(jī)排氣噪聲最直接有效的手段。柴油機(jī)排出的氣體通過(guò)消聲器時(shí)，在經(jīng)過(guò)消聲器內(nèi)部穿孔管、彎頭等結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)引起氣流速度的突變，從而產(chǎn)生一定的湍流。湍流不僅會(huì)形成排氣阻力，而且也產(chǎn)生湍流噪聲，湍流噪聲主要以高頻為主；另外氣流還激勵(lì)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，特別是當(dāng)氣流激起消聲器聲腔模態(tài)而引起共振時(shí)，消聲器內(nèi)部構(gòu)件也會(huì)振動(dòng)并輻射噪聲，這一部分噪聲為結(jié)構(gòu)噪聲，以低頻為主。這兩部分噪聲統(tǒng)稱為消聲器的再生噪聲[1]。再生噪聲對(duì)消聲器性能有重要影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使消聲器失效，甚至消聲器會(huì)成為噪聲放大器[2–3],因此再生噪聲也是評(píng)價(jià)消聲器性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

由于再生噪聲問(wèn)題的復(fù)雜性，早期對(duì)消聲器氣流再生噪聲的研究主要是基于試驗(yàn)的方法[4],如Torregrosa 等通過(guò)試驗(yàn)的方法，測(cè)試了12 種簡(jiǎn)單類型的擴(kuò)張消聲器在低馬赫數(shù)下氣流再生噪聲的聲功率，對(duì)消聲器設(shè)計(jì)尺寸的優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義[5]；山東大學(xué)劉麗萍在自制試驗(yàn)臺(tái)上，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)內(nèi)插管擴(kuò)張式消聲器分有無(wú)氣流兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明流速是影響氣流再生噪聲的重要因素[6]；重慶大學(xué)趙海軍在消聲器模擬試驗(yàn)臺(tái)上,對(duì)共振式消聲器聲學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，揭示了共振腔消聲器氣流再生噪聲的產(chǎn)生機(jī)理,為進(jìn)一步進(jìn)行消聲器內(nèi)部流場(chǎng)優(yōu)化、抑制氣流再生噪聲和動(dòng)態(tài)性能分析提供了重要依據(jù)[7]。

近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算和模擬得到了廣泛的應(yīng)用。2007年Hocheol等研究了詳細(xì)的消聲器穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流場(chǎng)，并用Ffowcs-Williams and Hawkings模型進(jìn)行了聲學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)從1 kHz到4 kHz 的頻率范圍噪聲的頻譜呈現(xiàn)寬頻特性[8]。2009年潘甫生針對(duì)抗性消聲器中擴(kuò)張結(jié)構(gòu)和尾管引起的射流噪聲問(wèn)題建立了低馬赫數(shù)射流噪聲有限元分析模型，分析了射流噪聲產(chǎn)生的原因[9]。

目前常用的消聲器再生噪聲計(jì)算方法是“CFD+聲類比”方法：即通過(guò)分析消聲器內(nèi)部的流場(chǎng)，揭示其噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，在流場(chǎng)仿真的基礎(chǔ)上對(duì)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析。為此，本文對(duì)課題組前期提出的一種分流氣體對(duì)沖消聲器，首先利用k-?模型研究了消聲器內(nèi)部的流場(chǎng)，再根據(jù)流場(chǎng)分布與再生噪聲的密切關(guān)系，運(yùn)用FW-H 聲學(xué)比擬法中的LES 大渦模型獲得各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)噪聲頻譜，分析流場(chǎng)和聲場(chǎng)的關(guān)系，探討新型消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)再生噪聲的影響，為研究和完善該新型消聲器的設(shè)計(jì)理論奠定基礎(chǔ)。

1 分流氣體對(duì)沖消聲器流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算

1.1 分流氣體對(duì)沖消聲器的設(shè)計(jì)原理

如圖1所示，分流氣體對(duì)沖消聲器由進(jìn)氣管、隔板、對(duì)沖管、外壁以及擴(kuò)張腔等組成，氣流從入口流入后從隔板上的2個(gè)孔進(jìn)入2對(duì)沖管，而被分成兩股氣流，當(dāng)從對(duì)稱的對(duì)沖管流出時(shí)，在消聲器中心處相遇并發(fā)生對(duì)沖，對(duì)沖使得氣流速度降低。

圖1 分流氣體對(duì)沖消聲器原理簡(jiǎn)圖

氣流速度的降低有助于減小氣流對(duì)壁面的沖擊，減小振動(dòng)輻射的噪聲；同時(shí)有助于降低渦流的速度，進(jìn)而降低排氣背壓和再生噪聲的產(chǎn)生[10]。

1.2 新型消聲器有限元模型

在Hypermesh 中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的大小會(huì)影響計(jì)算精度，網(wǎng)格多少會(huì)影響計(jì)算時(shí)間[11]。在考慮模型特征的前提下，綜合以上兩種因素，對(duì)過(guò)渡區(qū)域或特征變化劇烈的地方用2 mm 網(wǎng)格加密劃分，其它區(qū)域用4 mm 目標(biāo)網(wǎng)格大小劃分；流體部分用四面體網(wǎng)格，并進(jìn)行in out wall fluid 分區(qū)。輸出為msh格式，網(wǎng)格數(shù)量為360 424個(gè)。

圖2 分流氣體對(duì)沖消聲器網(wǎng)格劃分圖

進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口，速度為40 m/s；出口為壓力出口，假設(shè)介質(zhì)為不可壓縮空氣；流動(dòng)為湍動(dòng)，時(shí)間為穩(wěn)態(tài)，壓力速度耦合為simple算法，壓力為標(biāo)準(zhǔn)格式。對(duì)流離散格式采用2 階迎風(fēng)格式，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)k-?模型進(jìn)行計(jì)算。

1.3 內(nèi)流場(chǎng)仿真結(jié)果

圖3 為原消聲器內(nèi)流場(chǎng)仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，由于垂直隔板的作用，氣流從入口進(jìn)入后受阻比較大，壓力損失在40 m/s 的速度時(shí)為1 925 Pa。

從速度分布云圖可以看出，氣流在進(jìn)入隔板到對(duì)沖管之前速度有一個(gè)明顯的降低，當(dāng)速度降低后的氣流進(jìn)入到與隔板呈90°角的對(duì)沖管的時(shí)候，由于隔板與對(duì)沖管的尖銳凸起，使氣流速度在此尖角處急劇增大，甚至超過(guò)入口速度。另外由于對(duì)沖口有垂直弧度，當(dāng)氣流達(dá)到對(duì)沖口的位置時(shí)，在這里速度也有一個(gè)突變。另外一個(gè)速度突變處在氣流對(duì)沖區(qū)域，由于兩股氣流以相同速度對(duì)沖，在此區(qū)域內(nèi)，速度由32 m/s 降低到16 m/s，這三個(gè)區(qū)域速度梯度變化大，存在著復(fù)雜多變的應(yīng)力，渦流強(qiáng)度大，氣流各處的壓強(qiáng)和壓力變化劇烈，是氣流再生噪聲容易產(chǎn)生的地方，在湍動(dòng)能云圖中也可以看出，這三個(gè)速度突變位置處湍動(dòng)能都比較明顯，說(shuō)明容易產(chǎn)生渦流噪聲。

1.4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步降低消聲器壓力損失及內(nèi)部湍流噪聲，根據(jù)以上仿真結(jié)果，對(duì)圖4 中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

圖3 改進(jìn)前入口速度為40 m/s時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)圖

圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖

（1）隔板：由于垂直隔板的阻擋作用，會(huì)使對(duì)沖消聲器排氣阻力增大，背壓提升，增加油耗，另外由于隔板與對(duì)沖管呈90°，當(dāng)高速氣流從隔板分流進(jìn)入對(duì)沖管的時(shí)候，由于流體的慣性及黏滯性，在對(duì)沖管內(nèi)側(cè)會(huì)形成一塊小的負(fù)壓區(qū)域，此負(fù)壓區(qū)域與其它區(qū)域相比，壓力變化比較大，會(huì)加大湍動(dòng)能的強(qiáng)度，同時(shí)也是比較容易輻射噪聲的地方。對(duì)此，可以把隔板改成分流圓環(huán)，使圓環(huán)與對(duì)沖管呈一定的角度，減小此區(qū)域的壓力損失和再生噪聲。

（2）對(duì)沖管彎頭：從流場(chǎng)分析結(jié)果可以看出，彎頭半徑比較小，氣流經(jīng)過(guò)彎頭的時(shí)候會(huì)對(duì)彎頭外壁產(chǎn)生一定的沖擊；另外由于彎頭垂直地改變方向，彎頭內(nèi)側(cè)也會(huì)形成一定的負(fù)壓區(qū)域，該處也是噪聲比較容易產(chǎn)生的地方，故可以增大彎頭半徑改善此區(qū)域流場(chǎng)，從而降低再生噪聲。

1.5 消聲器改進(jìn)前后的流場(chǎng)對(duì)比

對(duì)改進(jìn)后的消聲器施加同樣的邊界條件，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后入口流速為40 m/s時(shí)的內(nèi)部流場(chǎng)

從改進(jìn)后的壓力云圖可以看出消聲器改進(jìn)之后壓力變化趨于均勻，排氣壓力變小，由原結(jié)構(gòu)的1 925 Pa 降低到改進(jìn)后的877 Pa，降幅明顯，改進(jìn)后的消聲器有利于氣體的排出。速度場(chǎng)分布與原結(jié)構(gòu)大體相近，最大速度由42.6 m/s 降低到改進(jìn)后的41.3 m/s，略有降低，但速度與壓強(qiáng)的變化沒(méi)有改進(jìn)前劇烈，可減小湍動(dòng)能的產(chǎn)生，這在湍動(dòng)能云圖中也可以對(duì)比看出。這說(shuō)明改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)有利于減小壓力損失及抑制氣流再生噪聲的產(chǎn)生。

對(duì)改進(jìn)后的消聲器施加同樣的邊界條件，并設(shè)定入口速度為10 m/s～60 m/s，每隔10 m/s 計(jì)算一次，得到的前后壓力損失如表1所示。

從表1可以看出改進(jìn)前后的消聲器壓力損失都隨入口速度的增大而增大，改進(jìn)后的消聲器壓力損失比改進(jìn)前的消聲器在各個(gè)速度工況下都要小，說(shuō)明改進(jìn)的效果較好。

2 氣流再生噪聲計(jì)算

2.1 測(cè)點(diǎn)選取

用FW-H 算法對(duì)消聲器進(jìn)行噪聲計(jì)算：第一步先進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)的計(jì)算，主要計(jì)算消聲器內(nèi)各測(cè)點(diǎn)處的壓力波動(dòng)。湍流模型為L(zhǎng)ES 模型，小渦模型應(yīng)用亞網(wǎng)格應(yīng)力尺度模型，時(shí)間為瞬態(tài)，對(duì)流離散格式采用2 階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用PISO 算法，時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-5，步數(shù)為4 000 步；第二步計(jì)算聲場(chǎng)，根據(jù)第一步得到的壓力波動(dòng)，經(jīng)過(guò)FFT變換得到測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜結(jié)構(gòu)。聲場(chǎng)模型采用FW-H 噪聲模型，時(shí)間步長(zhǎng)仍為5×10-5，步數(shù)為4 000步。為了監(jiān)測(cè)消聲器內(nèi)部渦流的特性設(shè)置了5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。

表1 消聲器改進(jìn)前后不同速度工況下的壓力損失對(duì)比

圖6 消聲器測(cè)點(diǎn)的選取位置

2.2 氣動(dòng)噪聲計(jì)算結(jié)果

圖7 為5個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力波動(dòng)模擬結(jié)果。

從圖7中5個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力波動(dòng)可以看出，點(diǎn)1的波動(dòng)范圍最大，其次為點(diǎn)2、點(diǎn)3，點(diǎn)4 與點(diǎn)5 的波動(dòng)范圍相近。說(shuō)明隔板與對(duì)沖管處湍化程度最高，其次為對(duì)沖管對(duì)沖區(qū)域。由于擴(kuò)張腔的擴(kuò)張作用，點(diǎn)3所在的擴(kuò)張腔內(nèi)湍化程度比較低，并且壓力相對(duì)比較小。點(diǎn)4與點(diǎn)5壓力波動(dòng)基本相似，由于點(diǎn)4、點(diǎn)5在出口位置處，壓力變化最小，湍化程度最低。得到壓力波動(dòng)之后，可計(jì)算測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)

式中：SPL 為聲壓級(jí)；p′為聲壓，Pref為參考聲壓。對(duì)各測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)域信號(hào)進(jìn)行FFT 變換得到壓力頻譜，如圖8所示。

從圖8 可以看出，消聲器內(nèi)的噪聲分布屬于寬頻噪聲，噪聲能量主要集中在低頻部分。在1 000 Hz 以內(nèi)聲壓級(jí)隨著頻率的升高而降低，從2 000 Hz之后噪聲呈現(xiàn)寬頻特性。測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2 由于氣流和壓強(qiáng)變化大，湍化程度高，噪聲主要集中在低頻；測(cè)點(diǎn)3 由于擴(kuò)張腔的擴(kuò)張作用，壓力和速度變化相對(duì)較小，湍動(dòng)能強(qiáng)度相對(duì)較低。但由于隔板以及內(nèi)壁的聲源相互疊加的影響，聲壓級(jí)要比測(cè)點(diǎn)4 和5高；測(cè)點(diǎn)4、5 頻譜略有差異，但測(cè)點(diǎn)4 比測(cè)點(diǎn)5 聲壓高，主要是因?yàn)閷?duì)沖之后的氣流速度在排氣管中間位置比在排氣管壁位置大的緣故。

一般消聲器內(nèi)部的流速應(yīng)控制在40 m/s～60 m/s范圍內(nèi)[12–13]。改進(jìn)前后消聲器在30 m/s、40 m/s、50 m/s、60 m/s工況下5個(gè)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)的對(duì)比如表2所示。

從表2 可以看出，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)在不同速度工況下都比原消聲器總聲壓級(jí)低，證明了消聲器結(jié)構(gòu)改進(jìn)的合理性。

圖7 各測(cè)點(diǎn)下壓力波動(dòng)

圖8 各測(cè)點(diǎn)下聲壓頻譜圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了方便對(duì)比，改進(jìn)前后的消聲器尺寸大體相同，只是改進(jìn)局部結(jié)構(gòu)，消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，都是由隔板、對(duì)沖管、擴(kuò)張腔組成。在消聲器試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)改進(jìn)前后的消聲器進(jìn)行壓力損失及再生噪聲的對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 壓力損失的試驗(yàn)驗(yàn)證

排氣消聲器試驗(yàn)臺(tái)主要由氣流發(fā)生裝置（風(fēng)機(jī)）、變頻器、噪聲發(fā)生裝置和主管道以及隔聲罩等組成。風(fēng)機(jī)選用上海應(yīng)達(dá)風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的DF型低噪聲離心式鼓風(fēng)機(jī)，功率為550 W，流量為860 m3/h，通過(guò)變頻器改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變氣流的速度，從而可滿足消聲器在不同氣流速度工況下的測(cè)試，測(cè)試裝置有風(fēng)速儀、皮托管。試驗(yàn)依據(jù)《GB/T4760-1995》中關(guān)于消聲器壓力損失的測(cè)試方法進(jìn)行，消聲器內(nèi)部氣流穩(wěn)定之后，消聲器入口及出口端面的全壓之差即為消聲器在指定速度下的壓力損失[14]，圖9所示為消聲器試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景。

3.1.1 消聲器壓力損失試驗(yàn)與仿真對(duì)比

由圖10可知，試驗(yàn)值與仿真值誤差都在10%以內(nèi)，在工程上屬于可接受的誤差范圍，說(shuō)明用CFD方法計(jì)算消聲器的壓力損失是比較精確的。

圖9 排氣消聲器試驗(yàn)臺(tái)

3.1.2 新型消聲器改進(jìn)前后壓力損失對(duì)比

圖11為消聲器修改前后排氣壓力損失對(duì)比圖。從圖中可看出，改進(jìn)前后的消聲器排氣壓力損失都隨著入口速度的提高而增大，改進(jìn)之后的消聲器排氣壓力在各個(gè)速度工況下都比改進(jìn)前的消聲器排氣壓力損失要小，說(shuō)明改進(jìn)之后的消聲器空氣動(dòng)力性能更好。

表2 改進(jìn)前后各測(cè)點(diǎn)噪聲總聲壓級(jí)對(duì)比

圖10 原消聲器試驗(yàn)和仿真壓力損失對(duì)比

圖11 改進(jìn)前后壓力損失對(duì)比

3.2 氣流再生噪聲的對(duì)比

3.2.1 試驗(yàn)原理

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5081-2008》中關(guān)于氣流再生噪聲的測(cè)試原理：除排氣噪聲外，其它噪聲都應(yīng)做為背景噪聲，測(cè)量噪聲的聲壓級(jí)應(yīng)該與背景噪聲的聲壓級(jí)相差10 dB以上[15]，即可認(rèn)為加裝的是無(wú)聲氣流源。試驗(yàn)分兩部分，第一部分為空管試驗(yàn)，第二部分為加裝消聲器情況下下游管道的氣流噪聲測(cè)量。在30 m/s、40 m/s、50 m/s、60 m/s 4 種速度工況下分別對(duì)空管、原消聲器和改進(jìn)后的消聲器進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)位置要求是在與排氣口氣流軸向呈45°方向、距離為1 m 處，測(cè)點(diǎn)距地面及其它反射面的距離應(yīng)大于2倍測(cè)距。試驗(yàn)測(cè)量噪聲的聲壓級(jí)與背景噪聲的聲壓級(jí)之差均大于10 dB，可認(rèn)為加裝的是無(wú)聲氣流。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在入口速度為40 m/s的條件下對(duì)比改進(jìn)前和改進(jìn)后的消聲器出口聲壓級(jí)所得結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出，在入口速度為40 m/s的條件下，改進(jìn)后的消聲器出口聲壓級(jí)比改進(jìn)前的消聲器出口聲壓要低，特別在低頻階段效果更加明顯。

圖12 改進(jìn)前后出口聲壓級(jí)對(duì)比

在不同的入口速度條件下，分別對(duì)改進(jìn)前后的消聲器管口噪聲進(jìn)行試驗(yàn)和仿真模擬，所得結(jié)果如表3所示。

從表3 可以看出，消聲器出口噪聲仿真值和試驗(yàn)值都隨入口速度的增大而增大，改進(jìn)后的消聲器管口噪聲試驗(yàn)和仿真結(jié)果都比原消聲器有所降低，與前文內(nèi)流場(chǎng)分析相符，證明了消聲器改進(jìn)的正確性，說(shuō)明改善消聲器內(nèi)部流場(chǎng)可以降低出口噪聲。改進(jìn)后的消聲器在入口速度為40 m/s時(shí)再生噪聲降低了1.5 dB。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）消聲器的壓力損失和再生噪聲與氣流流速密切相關(guān)，入口流速增大，壓力損失增大，再生噪聲也隨之增大。

（2）入口流速在40 m/s 時(shí)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的消聲器壓力損失降低了35%左右，降低效果明顯。

（3）對(duì)改進(jìn)前后消聲器進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析，當(dāng)氣流速度為40 m/s 時(shí)，改進(jìn)后的消聲器比改進(jìn)前再生噪聲減小了1.5 dB。

表3 改進(jìn)前后消聲器出口聲壓級(jí)