通風(fēng)管道彎頭加裝導(dǎo)流片對流噪聲的影響

摘要：針對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)部件彎頭流噪聲問題，以管道出口處的流噪聲為分析對象，基于有限元方法研究通風(fēng)管道彎頭內(nèi)布置導(dǎo)流片對管道內(nèi)部流場及出口流噪聲的影響，探明導(dǎo)流片形狀及數(shù)量參數(shù)的作用規(guī)律。模擬分析結(jié)果表明：管道出口處的流噪聲是由于管道中湍流產(chǎn)生的漩渦以及壓力脈動所產(chǎn)生的，加裝直導(dǎo)流片反而會使出口流噪聲增大，而弧形導(dǎo)流片可以起到穩(wěn)流的作用，能減少壁面的漩渦結(jié)構(gòu)和大小，減小脈動壓力強(qiáng)度，降低出口流噪聲的聲壓級水平；隨著弧形導(dǎo)流片數(shù)量增加，出口流噪聲的聲壓級下降明顯。

關(guān)鍵詞：空調(diào)器；導(dǎo)流片；彎頭；漩渦；湍流；流噪聲

中圖分類號：TB535文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0088-05

Abstract：For the flow noise at the elbow of air conditioning and ventilation system components， with the flow noise at the outlet of the duct taken as the reserch object， the influence of the flow guide sheet arranged inside the elbow of the ventilation duct over the internal flow field and the outlet flow noise is studied based on the finite element method， and the action law of the shape and number parameters of the flow guide sheet is explored. The results show that the flow noise at the outlet of the duct is caused by the vortex and pressure pulsation generated by the turbulent flow in the duct， and the addition of straight deflectors will increase the outlet flow noise， while the curved deflectors can play a role in stabilizing the flow， which reduces the vortex structure and size of the wall， the pulsation pressure intensity， and the sound pressure level of the outlet flow noise. The more the number of curved deflectors increases， the more obviously the sound pressure level of flow noise at the outlet decreases.

Keywords：air conditioner; deflector sheet; elbow; vortex; turbulence; flow noise

0引言

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)中管道的特點(diǎn)是尺寸大而且復(fù)雜，是由許多直管道和彎管所組成的。流體流過彎管是一種比較復(fù)雜的現(xiàn)象。在彎管區(qū)域，靠近彎管內(nèi)側(cè)的流體具有較高的速度，而靠近彎管外側(cè)的流體具有較低的速度，從而會產(chǎn)生比較大的壓力梯度，由于壓力梯度的產(chǎn)生，在流體中產(chǎn)生了一些不平衡的力。比較大的壓力梯度會在流動中產(chǎn)生渦流，這就會增加湍流的水平，從而會導(dǎo)致通風(fēng)管道的結(jié)構(gòu)振動和流體引起的流噪聲。

目前，國內(nèi)外一些研究人員對管道內(nèi)的流場情況進(jìn)行了大量的研究，并且對管道內(nèi)的流體特性進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)。通過對管道流噪聲的實(shí)驗(yàn)研究可以得到其內(nèi)部的傳遞、衰減特性及影響因素的作用規(guī)律。考慮到現(xiàn)場采樣等實(shí)驗(yàn)方法受客觀條件限制，難以得到完整的物理信息，故很難從根源上分析流噪聲的機(jī)制。研究人員從流場的角度對管道流場進(jìn)行了研究分析，GAO等［1］研究了在空調(diào)通風(fēng)分流三通中安裝導(dǎo)流葉片的減阻方法，提出了安裝導(dǎo)流葉片的合理位置，優(yōu)化了導(dǎo)流葉片的形狀，分析了分流三通在不同流速和長徑比下的阻力特性，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分流三通的優(yōu)化效果。JURAEVA等［2］利用數(shù)值模擬和實(shí)際應(yīng)用研究了導(dǎo)流板對地鐵隧道內(nèi)風(fēng)道均勻流動的影響。結(jié)果表明：在地鐵隧道兩側(cè)安裝導(dǎo)流板可以獲得均勻的流動。AI等［3］通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究了5.75m長直管道內(nèi)部的壓力損失，提出了一種預(yù)測壓力損失的數(shù)值模擬方法。SUN等［4］通過數(shù)值模擬研究了加裝和未加裝導(dǎo)流片的90°彎頭對圓形管道的影響，分析了流場特性，并提出導(dǎo)流葉片應(yīng)設(shè)置在彎管中的最佳位置。CRAWFORD等［5］對90°彎頭中湍流的壓降進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)查。所有的測量數(shù)據(jù)表明流動顯示出軸向?qū)ΨQ的特點(diǎn)，與充分發(fā)展的管道流動相比，湍流的法向應(yīng)力分布更加均勻，彎頭曲率的影響是加速管道流動中的漩渦衰減。魏立明等［6］采用數(shù)值仿真模擬的方式，對于直板式節(jié)流閥閥芯進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同閥孔的壓降曲線、流場曲線、速度變化云圖等。經(jīng)過定量分析得到恒定流速下直板式節(jié)流閥的壓降規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明，在相同的開度下，隨著平板式節(jié)流閥閥芯長軸長度的增加，管道截面的最大流速有下降的趨勢，隨著開度從20%增大到40%，壓降的曲線趨于平緩。MODI等［7］在背景噪聲低于30dB（A）情況下，測量了不同流速下管口監(jiān)測點(diǎn)噪聲頻譜特性。在數(shù)值計(jì)算方面，MORI等［8］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，對空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部流噪聲進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算研究。WU等［9］通過計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）和計(jì)算流體動力聲學(xué)（CAA）軟件來模擬分體式空調(diào)室內(nèi)機(jī)的空氣動力學(xué)和聲學(xué)性能，提出了一種可以提高流速但不增加流噪聲的聲壓級優(yōu)化方法。

目前已經(jīng)有很多關(guān)于減少空調(diào)通風(fēng)管道局部組件的阻力和減少壓力損失的研究，但是還沒有明確的管道系統(tǒng)加裝導(dǎo)流片的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

本文以空調(diào)通風(fēng)管道彎頭作為研究對象，運(yùn)用Lighthill方程對彎頭出口由氣流所引發(fā)的流噪聲源進(jìn)行分析。采用計(jì)算流體力學(xué)和聲學(xué)有限元聯(lián)合仿真的方法，將彎管加裝和未加裝導(dǎo)流片非穩(wěn)態(tài)流場邊界脈動壓力導(dǎo)入聲學(xué)有限元網(wǎng)格，轉(zhuǎn)換為在流場中的等效理論聲源，對彎管內(nèi)部空間是否加裝導(dǎo)流片的流體自輻射聲場進(jìn)行數(shù)值仿真，為空調(diào)通風(fēng)部件彎頭流噪聲的控制提供設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

1氣動聲學(xué)理論

1.1Navier-Stokes方程

本文主要通過分析彎管中的壓力分布、速度分布等流場信息研究加裝導(dǎo)流片下彎管的流動行為。采用不可壓縮Navier-Stokes方程來描述流體區(qū)域的連續(xù)性、動量和能量：

1.2大渦模擬（LES）湍流模型

大渦模擬湍流模型如下所示。

式中：ui和uj為過濾后速度分量；μ為湍流黏度系數(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漩渦黏性模型。

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

1.3FW-H方程

在Lighthill聲類比理論基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出FW-H方程：

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彎管流場模擬結(jié)果分析

2.1驗(yàn)證方法的正確性

文獻(xiàn)［10］中對突擴(kuò)、突縮變截面管道的傳聲特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工況中空氣流經(jīng)突變管道時(shí)由于湍流產(chǎn)生的流噪聲是唯一的噪聲源，可看作一段存在氣流通過的突擴(kuò)、突縮變截面管道，這是由于局部構(gòu)件引起的管道形式突變對流場所產(chǎn)生的影響。

圖1所示為突變管道的結(jié)構(gòu)示意圖。參數(shù)為：入口段L1=200mm；出口段L2=500mm；d1=d2=38mm；擴(kuò)張腔的長度L=280mm；d=200mm。實(shí)驗(yàn)中管道入口流速為45m/s。

對圖1所示物理模型使用ANSYS ICEM進(jìn)行六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并且對邊界層進(jìn)行加密。壁面法向距離的無量綱值y+約為1，網(wǎng)格總數(shù)約為70萬。采用RNG k-ε湍流模型通過Fluent軟件進(jìn)行管道內(nèi)流場計(jì)算，邊界條件為入口速度、出口壓力，壁面采用絕熱無滑移邊界。

Virtual.Lab進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算時(shí)，聲學(xué)網(wǎng)格尺寸的劃分依據(jù)為聲學(xué)模型需要的最大頻率，計(jì)算結(jié)果的精度需要通過控制最大網(wǎng)格尺寸來實(shí)現(xiàn)，可以參考式（7）。

式中：L為單元劃分尺寸，m；

c為當(dāng)?shù)芈曀?，m/s；

fmax為需要求解的最大噪聲頻率，Hz。

采用本文的數(shù)值模擬方法進(jìn)行仿真復(fù)現(xiàn)。首先在Fluent中進(jìn)行流場計(jì)算，生成格式為CGNS的壓力脈動時(shí)域計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)入LMS Virtual.Lab中通過傅里葉變換轉(zhuǎn)換為頻率邊界條件進(jìn)行聲場計(jì)算。圖2為突變管道出口監(jiān)測點(diǎn)處的聲壓級頻譜圖和本文通過數(shù)值模擬方法所得結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果在各個(gè)頻段上峰值分布幾乎一致，表明數(shù)值模擬方法計(jì)算管道氣動噪聲的可行性。

2.2彎管及導(dǎo)流片模型

空調(diào)通風(fēng)管道系統(tǒng)路徑長，分布廣，形式復(fù)雜，且大多為直管、彎管、T型管和三通等管道形式。管道入口段長度約為2m；出口段的長度約為1.5m；管道的半徑約為200mm；彎頭半徑R=150mm。由于所選彎頭位于空調(diào)通風(fēng)管道主管道，流速較大，管道流速為14m/s，導(dǎo)流片的厚度為5mm，形狀分為弧形導(dǎo)流片和直導(dǎo)流片。模型參數(shù)及監(jiān)測點(diǎn)示意圖如圖3所示。

2.3通風(fēng)管道管內(nèi)流場分析

為了分析流體在彎頭流場中的動態(tài)信息，分別計(jì)算無導(dǎo)流片、弧形導(dǎo)流片和直導(dǎo)流片彎頭的流場分布，如圖4所示。空氣在彎頭中流動的時(shí)候，彎頭外側(cè)壓力增大，內(nèi)側(cè)壓力減小，導(dǎo)致邊界層與壁面分離形成回流區(qū)。軸向通道的截面由壓力分布呈現(xiàn)不同的著色，流線表示瞬時(shí)流場的信息。如圖4（a）所示，在無導(dǎo)流片的情況下，氣體流過彎頭，彎頭外壁壓力增大，內(nèi)側(cè)壓力減小，形成壓差，靠近彎頭內(nèi)壁的一側(cè)形成大量的漩渦和較強(qiáng)的脈動壓力。圖4（b）為弧形導(dǎo)流片數(shù)量N=1彎管的流線圖。由圖可知在弧形導(dǎo)流片數(shù)量N=1的情況下，A截面處沒有弧形導(dǎo)流片的分流作用，徑向截面的漩渦結(jié)構(gòu)較大；B截面由于弧形導(dǎo)流片的作用，流線分布均勻，流場穩(wěn)定；C截面經(jīng)過弧形導(dǎo)流片的穩(wěn)流，減渦作用，所以C截面的漩渦結(jié)構(gòu)減小，漩渦數(shù)量降低。由于弧形導(dǎo)流片的作用，彎頭內(nèi)外壁的壓差減小，彎頭處流場更穩(wěn)定，流線更均勻，彎頭內(nèi)壁沒有過多的漩渦。由圖4（c）、圖4（d）可以看出，隨著弧形導(dǎo)流片數(shù)量的增多，漩渦的數(shù)量減少，所以弧形導(dǎo)流片的數(shù)量越多，流場就越穩(wěn)定。圖4（e）、圖4（f）和圖4（g）分別為直導(dǎo)流片數(shù)量為1、2和3的彎頭的流線圖?？梢钥闯鲋睂?dǎo)流片會導(dǎo)致彎管內(nèi)外壁的壓力差、靠近壁面的脈動壓力和漩渦數(shù)量的增加。隨著直導(dǎo)流片數(shù)量的增加，漩渦尺度增加，漩渦數(shù)量增多，湍流強(qiáng)度和脈動壓力增大。從3種不同數(shù)量直導(dǎo)流片彎頭處均可以看出：C截面處的漩渦結(jié)構(gòu)尺度比A截面大，漩渦數(shù)量比A截面多，說明直導(dǎo)流片不能起到減渦和優(yōu)化流場的作用。

3彎管聲場模擬結(jié)果分析

建立兩種不同類型的導(dǎo)流片，一種為直導(dǎo)流片，一種為弧形導(dǎo)流片，厚度均為5mm。直導(dǎo)流片的長度為150mm，弧形導(dǎo)流片半徑為150mm。

為了分析和驗(yàn)證通風(fēng)管路內(nèi)部加裝導(dǎo)流葉片的降噪效果，建立7種不同類型的彎頭模型?；诼晫W(xué)有限元方法（FEM），利用Virtual.Lab軟件對彎頭聲場和出口相同位置處監(jiān)測點(diǎn)場點(diǎn)進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算。

3.1導(dǎo)流片的形狀對流噪聲的影響

圖5所示為不同形狀導(dǎo)流片的出口聲壓級。3種不同類型導(dǎo)流片的聲壓級頻率峰值出現(xiàn)在400Hz附近，直導(dǎo)流片彎頭出口處總聲壓級為63dB（A），主要原因?yàn)橹睂?dǎo)流片導(dǎo)致彎頭流場紊亂，湍流強(qiáng)度增大和漩渦增多，彎頭出口處的流噪聲值比無導(dǎo)流片高，弧形導(dǎo)流片由于增加了一個(gè)弧形結(jié)構(gòu)，所以弧形導(dǎo)流片彎頭壁面脈動壓力、湍流強(qiáng)度和漩渦大小降低，彎頭出口處的聲壓級水平降低。

3.2導(dǎo)流片的數(shù)量對流噪聲的影響

圖6、圖7分別為不同數(shù)量直導(dǎo)流片和弧形導(dǎo)流片彎頭出口聲壓級。經(jīng)過A聲級計(jì)權(quán)和1/3倍頻程處理后，峰值頻率在400Hz左右。無導(dǎo)流片情況下，彎頭出口總聲壓級為60dB（A）。如圖8所示，直導(dǎo)流片數(shù)量N=1，彎頭出口總聲壓級為63dB（A）?？偮晧杭壴黾?，說明加裝直導(dǎo)流片會增加彎頭流場漩渦數(shù)量和湍流強(qiáng)度，出口流噪聲聲壓級增加；直導(dǎo)流片數(shù)量越增加，出口流噪聲聲壓級越大，說明直導(dǎo)流片不能降低彎頭出口流噪聲水平。加裝一個(gè)弧形導(dǎo)流片后，彎頭出口總聲壓級為54dB（A），比無導(dǎo)流片彎頭降低6dB（A），說明弧形導(dǎo)流片有降噪效果。由圖7可以看出不同數(shù)量弧形導(dǎo)流片彎頭的出口聲壓級頻譜曲線的峰值在400～500Hz，弧形導(dǎo)流片數(shù)量N=2時(shí)，總聲壓級降低5dB（A）；弧形導(dǎo)流片數(shù)量N=3時(shí)，出口氣動噪聲聲壓級比無導(dǎo)流片的情況時(shí)，下降30dB（A）。由此可以得出如下結(jié)論：在管道空間允許的情況，加裝的弧形導(dǎo)流片越多，彎頭出口流噪聲的聲壓級越低。

4結(jié)語

本文采用有限元方法分析了不同類型導(dǎo)流片對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)彎頭對于出口流噪聲的影響，得出如下結(jié)論。

1）在無導(dǎo)流片的情況下，當(dāng)氣體流經(jīng)彎頭時(shí)，彎頭外側(cè)壓力增大，內(nèi)側(cè)壓力減小，從而形成壓差，靠近彎頭內(nèi)壁的一側(cè)形成了較多的渦流，產(chǎn)生流噪聲。流噪聲聲壓級的頻率峰值與是否加裝導(dǎo)流片以及導(dǎo)流片的數(shù)量無關(guān)。

2）加裝直導(dǎo)流片時(shí)，導(dǎo)致彎頭外壁的壓力差進(jìn)一步增大，形成了較多的渦流，出口流噪聲的聲壓級反而提高，且隨著直導(dǎo)流片的增加而提高。

3）相較于直導(dǎo)流片，加裝弧形導(dǎo)流片能夠有效地調(diào)節(jié)管道內(nèi)部的流場，降低彎頭處的湍流強(qiáng)度和壓力脈動水平，減小彎管肘部的漩渦數(shù)量和大小，降低管道流噪聲，且隨著弧形導(dǎo)流片增加，出口流噪聲的聲壓級降低。

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收稿日期：20230328

第一作者簡介：王景文（1996—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇拜啓C(jī)設(shè)備及系統(tǒng)的振動噪聲控制，zachary1631996@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.017