基于CFD和聲學有限元法的抗性消聲器性能研究

陳慶光，李　鳳

（山東科技大學　機械電子工程學院，山東　青島266590）

基于CFD和聲學有限元法的抗性消聲器性能研究

陳慶光，李鳳

（山東科技大學機械電子工程學院，山東青島266590）

空氣動力學性能和聲學性能是用來評價抗性消聲器優劣的主要指標。針對管道消聲中常用的抗性消聲器，利用計算流體動力學（CFD）方法模擬三種不同結構抗性消聲器內部流場的壓強分布特性，獲得抗性消聲器的壓力損失，并與半經驗公式的計算結果進行對比，分析不同結構抗性消聲器的空氣動力學性能以及半經驗公式法的適用性；利用聲學有限元方法對三種結構抗性消聲器的傳遞損失進行計算，定性地分析和驗證三種抗性消聲器的聲學性能。研究結果可為抗性消聲器的結構優化設計和綜合性能的提高提供參考。

聲學；抗性消聲器；壓力損失；傳遞損失；CFD；聲學有限元方法

空氣動力學性能、聲學性能和機械性能是評價消聲器性能優劣的三個常用指標。消聲器的空氣動力學性能和聲學性能的兩個主要技術指標——壓力損失和傳遞損失，往往是相互影響的。傳遞損失反映的是消聲器對噪聲的削弱程度，而在增加消聲器傳遞損失的同時，往往會使消聲器的壓力損失同時增大，從而導致功率損失的增大。因此，在消聲器設計過程中應充分考慮兩者的相互影響，在提高消聲器傳遞損失的同時，盡可能地控制壓力損失，這有利于提高消聲器的綜合性能。

本文分別利用計算流體動力學（CFD）和聲學有限元法對三種不同結構的抗性消聲器的壓力損失和傳遞損失進行數值模擬計算，通過數值模擬結果與半經驗公式法計算結果的對比，評價不同結構抗性消聲器性能的優劣，分析半經驗公式法的適用性。研究結果不僅對抗性消聲器的結構優化設計具有參考價值，而且對提高抗性消聲器的綜合性能也具有一定的指導意義。

1　研究對象及計算參數

對于抗性消聲器來說，無論其結構多么復雜，一般都是由擴張室、內插管和穿孔管等基本抗性消聲器組合而成的。在設計抗性消聲器時，通常是根據實際需要將一種或幾種基本抗性消聲器進行組合，形成滿足性能要求的消聲器。選取的研究對象為典型擴張室消聲器、帶內插管的擴張室消聲器和穿孔管消聲器3種，其結構及尺寸分別如圖1（a）—圖1（c）所示。

所涉及的消聲器壓力損失和傳遞損失的計算均以空氣作為入口流體，模擬溫度為20℃，取空氣密度ρ=1.225 kg/m3，空氣動力粘度μ=1.789 4×105Pa?s，消聲器出口的相對壓強為0 Pa，消聲器壁面材料為厚度5 mm的Q 235-A。消聲器入口風量Q= 2 543.4 m3/h，即入口平均速度V=22.5 m/s。

2　抗性消聲器的壓力損失計算

2.1 CFD數值計算

抗性消聲器流體動力學數值計算包括三維建模、網格劃分、邊界條件確定、湍流模型的選取、數值模擬及數據后處理等過程［1］。在對消聲器的數值模擬過程中，未考慮消聲器內部流體傳熱的影響，重點研究常溫下消聲器傳遞損失的變化規律。運用商業軟件ANSYS 14.0中的FLUENT 14.0模塊分別對上述三種消聲器進行流場分析。設置入口邊界條件為速度進口條件，進口平均速度為V=22.5 m/s，出口為壓力出口條件，計算采用SIMPLE算法，選用標準k-ε模型模擬湍流流動。圖2（a）—（c）分別為CFD模擬得到的三種抗性消聲器的進出口靜壓散點圖。

當消聲器的進、出口截面積相同，且氣流平均速度相同時，消聲器的壓力損失就等于消聲器進、出口端之間氣體平均靜壓的降低量［2］。由CFD數值模擬結果可分別計算出上述3種消聲器的壓力損失。

2.2半經驗公式法

根據流體力學原理，利用經驗公式計算消聲器的壓力損失時，需要分別計算出摩擦阻力損失和局部阻力損失，兩者之和即為消聲器的壓力損失值［3］。式（1）和式（2）分別是摩擦阻力損失和局部阻力損失計算的經驗公式［4］。

式中Δpλ——摩擦阻力損失，Pa；

λ——摩擦阻力損失系數；

l——消聲器的長度，m；

deq——消聲器內部通道等效直徑，m；

ρ——氣體密度，kg/m3；

V——氣體流速，m/s。

式中Δpε——局部阻力損失，Pa；

ε——局部阻力損失系數。

2.3計算結果對比

由CFD方法和經驗公式法計算得到的抗性消聲器壓力損失對比如表1所示。

表1　抗性消聲器壓力損失對比　單位：Pa

圖1　三種基本抗性消聲器示意圖（單位：mm）

圖2　三種基本抗性消聲器進出口靜壓散點圖

由表1中的數據對比可以看出，典型擴張室消聲器的壓力損失遠大于帶內插管的擴張室消聲器和穿孔管消聲器，而且前者還存在消聲量為0的通過頻率，所以在設計抗性消聲器時盡量不使用典型結構的擴張室消聲器；在相同的外形尺寸條件下，穿孔管消聲器的壓力損失最小，其次是帶內插管的擴張室消聲器，且兩者的壓力損失都在100 Pa以內。由于帶內插管的擴張室消聲器相對于穿孔管消聲器結構更為簡單，制造加工、維修清理方便，成本也比較低，且穿孔管消聲器的特殊結構在某些情況下還容易造成穿孔的堵塞。所以在設計抗性消聲器時，若對壓力損失沒有嚴格要求，應盡量采用帶內插管的擴張室消聲器。經驗公式法適用于對典型抗性消聲器壓力損失的計算，而對于帶內插管的擴張室消聲器和穿孔管消聲器等較為復雜消聲器的壓力損失來說，利用經驗公式法計算壓力損失可能存在較大的偏差。

3　抗性消聲器傳遞損失數值模擬

抗性消聲器的傳遞損失采用基于聲學有限元法的商用軟件LMS Virtual.Lab Acoustics進行數值模擬。將抗性消聲器的三維幾何模型導入LMS Virtual.Lab Meshing模塊中劃分聲學網格，再將聲學網格導入聲學有限元模塊，生成聲學包絡網格［5］；定義流體為空氣，密度為1.225 kg/m3；定義出口為無反射邊界條件，空氣的聲阻抗為416.5 kg/（m2·s）。利用聲學有限元方法計算得到的前述3種抗性消聲器的傳遞損失曲線如圖3（a）—圖3（c）所示。

從圖3（a）中可以看出，在某些頻率上，典型擴張室消聲器的最大傳遞損失為12 Pa～16 Pa，但是也存在傳遞損失小于零的頻率，這些頻率即為單腔擴張室消聲器的通過頻率，在這些頻率處消聲器不具有消聲作用。由此也驗證了普通單腔擴張室消聲器存在通過頻率這一缺陷。

由圖3（b）中可以看出，帶內插管的擴張室消聲器的傳遞損失幾乎都大于零，且在某些頻率的最大傳遞損失達到28 Pa，但波動較大。與典型擴張室消聲器相比，帶內插管的擴張室消聲器不僅基本解決了通過頻率的問題，還顯著提高了其消聲性能。

由圖3（c）中可以看出，穿孔管消聲器的傳遞損失在整個消聲頻帶上都保持在79 Pa～137 Pa之間，而且在高頻段也有較高的傳遞損失，這不僅說明穿孔管消聲器比典型擴張室消聲器和帶內插管的擴張室消聲器的消聲性能好而且更為穩定，同時也驗證了穿孔管消聲器在高頻段也具有良好的消聲效果［6］，彌補了一般的抗性消聲器僅對降低中低頻噪聲有效的缺陷。

4　結語

通過對3種具有不同結構的抗性消聲器性能的數值模擬、經驗公式計算和對比分析，得到以下主要結論：

（1）典型擴張室消聲器的壓力損失遠大于帶內插管的擴張室消聲器和穿孔管消聲器，傳遞損失又比帶內插管的擴張室消聲器和穿孔管消聲器小得多，而且還存在消聲量為0的通過頻率，所以在設計抗性消聲器時應盡量不采用典型結構的擴張室消聲器；

（2）在外形結構相同時，帶內插管的擴張室消聲器和穿孔管消聲器的壓力損失相差不大，且都比較小，而帶內插管的擴張室消聲器相對于穿孔管消聲器結構具有更好的機械性能。所以，設計抗性消聲器時，在滿足設計要求的前提下，應優先采用帶內插管的擴張室消聲器；

（3）穿孔管消聲器的消聲性能明顯優于帶內插管的擴張室消聲器，而且在高頻段也具有良好的消聲效果。因此，當在寬頻段上對消聲器聲學性能要求較高的情況下，可以考慮選用穿孔管消聲器。

圖3　三種基本抗性消聲器傳遞損失曲線

［1］王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.1-158.

［2］畢嶸.復合式消聲器聲學特性的分析方法和實驗研究［D］.合肥：合肥工業大學，2012.

［3］胡效東.基于CFD仿真和實驗的抗性消聲器研究［D］.濟南：山東大學，2007.

［4］馬家義.消聲器內部流場聲學特性研究［D］.長春：吉林大學，2005.

［5］張曉龍，李功宇.擴張式消聲器消聲特性理論研究和實驗分析［J］.噪聲與振動控制，2008，28（1）：105-107.

［6］Iljae Lee，Kyungwon Jeon，Jaebyung Park.The effect of leakage on the acoustic performance of reactive silencers ［J］.AppliedAcoustics，2013，74（4）:479-484.

Study on Performances of Reactive Muffler Based on CFD and Acoustic Finite Element Methods

CHEN Qing-guang，LI Feng
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，Shandong China）

Reactive mufflers are generally evaluated by their aerodynamic performance and acoustical performance.In this paper，the CFD method was used to simulate the pressure distributions in the flow fields of three specified reactive mufflers with different structures.The pressure losses for the three mufflers were obtained.The results were compared with those by the semi-empirical formula.The aerodynamic performances of the three reactive mufflers were analyzed，and the suitability of the semi-empirical formula was evaluated.The AFEM（acoustic finite element method）was applied to calculating the transmission losses of the three reactive mufflers，and their acoustic performances were qualitatively analyzed and verified.This study provides helpful references for the structural optimization design and the performance improvement for reactive mufflers.

acoustics；reactive muffler；pressure loss；transmission loss；CFD；acoustic finite element method

TB535

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.034

1006-1355（2015）05-0164-03+216

2014－07－05

山東省自然科學基金項目（ZR2013EEM017）；中國煤炭工業協會科學技術研究指導性計劃項目（MTKJ 2011-366）

陳慶光（1969－），男，山東莒南縣人，博士、教授、博士生導師，主要從事流體機械及工程、噪聲與振動控制、流固耦合計算與分析等方面的教學和研究工作。

E-mail:chenqingguang03@tsinghua.org.cn