利用仿真方法分析節(jié)流噴注式消音器噪聲的可行性研究

劉春麗，王廣基，鄭西華

（1.上海核工程研究設計院有限公司，上海 200235；2.因博信息（上海）科技有限公司，上海 200235；3.溫州市達安儀表設備有限公司，浙江 溫州 325000）

消音器用途廣泛，在火電、核電、化工、冶煉等行業(yè)皆有應用。消音器的降噪機理有多種類型，如阻性消音、抗性消音、擴散消音、微穿孔消音、小孔消音、有源消音等等，一般情況下工業(yè)用消音器對降噪要求較高，需要利用幾種降噪機理組合來實現(xiàn)較好的降噪效果，由此導致消音器結構較為復雜，僅依靠理論計算不能獲得準確的降噪效果，可靠的消音器降噪性能還需要通過試驗得到。介質和入口工況不同，消音效果也不同，若對每種工況都進行試驗，需要耗費較大的經濟成本和時間成本，因此文章利用仿真方法對節(jié)流噴注式消音器進行分析，并與試驗結果進行對比，探討利用仿真方法獲得節(jié)流噴注式消音器降噪性能的可行性。

1 消聲器設計

1.1 消聲原理

文章研究的對象是節(jié)流噴注式消音器， 利用抗性消聲、小孔消聲等原理，使用多級小孔節(jié)流、空間突擴、小孔噴注等過程進行降噪，是市場上常見的消音器類型，具有結構堅固耐用、流阻小、降噪效果明顯、加工容易、使用壽命長的優(yōu)勢。

1.2 節(jié)流噴注式消音器基本構造

文章分析的節(jié)流噴注式消音器外形為一個開口的筒體容器。入口管道與消聲器下部法蘭連接，進入筒體內部，由立管四周的小孔噴出后，再經套筒四周的小孔噴出，氣體向上經一層布滿小孔的節(jié)流減壓板后排入大氣。

1.3 節(jié)流噴注式消音器運行參數(shù)

文章所研究的節(jié)流噴注式消音器的主要邊界條件如下：

入口流量：119 m3/h

入口壓力：0.42 MPaG

環(huán)境溫度：20 ℃

介質：空氣

2 分析計算

2.1 分析流程

文章使用STAR-CCM+軟件進行流場分析，使用ACTRAN軟件進行聲場分析，最終獲得節(jié)流噴注式消音器降噪結果，與試驗結果進行對比。

2.2 理論基礎

聲振現(xiàn)象是一種涉及三維空間的宏觀物理現(xiàn)象，需要借助聲速、聲壓及傳播介質密度來研究其傳播規(guī)律，這三個物理量之間是密切相連的，它們滿足物態(tài)方程、牛頓第二定律以及質量守恒定律這三個基本物理定律。

對于聲壓的波動計算，其控制方程如下：

傳遞損失方程：

式中，c為音速；

Wi和Wt分別為入射和透射的聲功率；

Li和Lt分別為入射和透射的聲功率級。

該消音器介質為空氣，在仿真中，選擇空氣介質模型進行仿真，流動采用k-ω模型。

消聲器的主要性能評價指標主要包括：聲學性能（主要為傳遞損失）、空氣動力性能、結構性能。通常情況下，在某個頻段下的傳遞損失值越高，這個消聲器在這個頻段的消聲性能越強。因此，評價消聲器聲學性能不僅僅要看它的傳聲損失，也要看聲源的頻段與傳遞損失的頻段一致性。

2.3 計算結果

2.3.1 流場計算

將節(jié)流噴注式消聲器幾何模型在ANSA軟件中進行幾何簡化，進行布爾操作后得到流體域模型，并根據(jù)實際情況建立入口以及出口，構成完成的求解計算區(qū)域，在Star-CCM+中生成多面體網格，網格及數(shù)量如圖1所示。其中面網格數(shù)量為56×104，體網格數(shù)量為1 010×104。

圖1 網格劃分

對于該模型的流場計算，采用如下邊界條件：

入口壓力：0.52 MPa.abs；入口溫度：20 ℃；出口壓力0.1 MPa.abs。

利用Star-CCM+計算得到的流場結果，從計算結果可以看出，氣流進入立管節(jié)流結構后，向周向擴散，經過立管與內筒之間的空間擴張，內筒向軸向擴散的氣體流速明顯降低，從而達到噪聲降低的目的。

2.3.2 聲場計算

利用Actran計算得到的聲場結果見圖2。

圖2 1 500 Hz頻率下消聲器聲壓級云圖

從聲場分析結果可以看出，該類型節(jié)流噴注式消音器產生最高噪音頻段低于2 000 Hz。

2.3.3 與試驗數(shù)據(jù)對比

在相對安靜的環(huán)境中對該節(jié)流噴注式消音器進行降噪性能試驗，分別在消音器出口平面、距消音器中心1 m處沿軸向設置7個測點。為了測試距離對噪音衰減的影響，在延伸至距消音器中心3 m處再設置7個測點。因消音器對稱設計，測點可設置在半個軸向空間內。由此獲得消音器降噪試驗數(shù)據(jù)，與仿真分析結果進行對比。

仿真分析結果和試驗結果的數(shù)據(jù)對比如表1。

表1 消音器測點仿真結果與測試數(shù)據(jù)對比

從仿真分析結果可以看出，由于仿真分析不考慮周圍環(huán)境噪音、風速等因素，同距離的各測點聲壓級結果差異較小，僅有大約0.15 dBA的差值；1 m與3 m半徑距離處聲壓級相差10 dBA左右，即距離衰減為10 dBA。

從試驗結果來看，考慮試驗環(huán)境如周圍噪聲、風速、周圍遮擋物等影響，同距離的各測點聲壓級結果差異有些大，最大達到6.8 dBA；1 m與3 m半徑距離處聲壓級平均差值僅6.4 dBA左右。

對比仿真分析結果和試驗結果可以看出，仿真分析結果與試驗結果的最大誤差9.25%，平均誤差僅為1.46%。剔除試驗結果受周圍環(huán)境影響的因素，從趨勢上來說仿真分析結果與試驗結果吻合度較高。

3 結論和建議

通過對該類型節(jié)流噴注式消音器的仿真結果和試驗結果進行對比，可以得出如下結論：

（1）利用Star CCM+和Actran進行的仿真分析結果與試驗結果吻合度較好，說明利用仿真手段預估此類型消音器的降噪效果是可行的。

（2）利用仿真手段評估消音器降噪性能可以減少試驗成本，獲得復雜結構消音器相對較準確的降噪效果，應用前景廣闊。

（3）文章所討論仿真分析方法僅適用于低流速、空氣介質、節(jié)流噴注式消音器，對其他介質、其他型式消音器，因介質屬性不同，降噪原理不同，在沒有經過試驗數(shù)據(jù)驗證的情況，仿真分析手段的應用還需要進行進一步探討。