消聲器設計及內部流場數值研究

(蚌埠市地方海事局 安徽 蚌埠 233000)

消聲器設計及內部流場數值研究

劉志俊

(蚌埠市地方海事局安徽蚌埠233000)

本文主要論述了消聲器基礎理論及結構設計依據并以此未基礎進行模型構建，希望對相關相關理論提供一定的理論參考。

柴油機發電機組；聲器設計；消內部流場數值

一、前言

對本文選定某型號柴油機發電機組的排氣消聲器，利用Gambit建模軟件對其進行了模型建模，然后使用流體仿真軟件對該模型進行三維仿真計算，得出了該消聲器內部的速度矢量場、壓力場、流線圖等，根據仿真結果，對消聲器內部各流場分布情況進行分析和總結，并提出了局部優化改進建議。

二、消聲器基礎理論

(一)內燃機排氣噪聲的產生的機理

內燃機排氣過程可分為自由(或稱超臨界)排氣階段和強制排氣階段。柴油機全負荷工作時，排氣開始時氣缸內燃氣溫度高達800—1000攝氏度，氣缸壓力Pn約為(3—4)x10e5Pa。由于這時氣缸內的壓力為排氣管內壓力的兩倍以上，排氣為超臨界流動，這時通過排氣門的氣體速度等于燃氣中的聲速。自由排氣階段，雖然占整個排氣時間的百分比不大，但氣體流速很高，排出廢氣量可達60%以上。廢氣從排氣門以高速沖出，沿著排氣管進入消聲器，最后從尾管排入大氣，在這一過程中，產生了寬頻帶的排氣噪聲[1]。

(二)排氣噪聲控制的基本理論

控制內燃機所產生的噪聲應立足于不產生噪聲和降低聲源的強度，可以從以下兩個方面來控制噪聲:一種方法是從減少噪聲源來考慮，根據噪聲產生的機理來采取相應的措施。這種方法是最徹底的，而且其潛力也是很大的。

三、消聲器結構設計依據及模型

(一)設計依據

該柴油機發電機組的基本參數如下：

缸數：τ=6

功率：P=94.4kw

廢氣溫度：T=823K

柴油機的排氣噪聲主要包括以下三個方面的噪聲：

1.基頻噪聲

2.管道內氣柱共振噪聲

當n=2時，f=287Hz

當n=3時，f=4790Hz

3.亥姆茲共振噪聲

下面所設計的消聲器主要用來消除柴油機的基頻噪聲以及2-3倍的基頻噪聲[2-3]。

(1)消聲器的總容積Vm由容積比確定

所以相應的排氣管直徑d?(93,130)mm

取d=110mm。

(3)擴張室直徑D的確定

由消聲量確定擴張比m=16，所以：

(4)消聲器的總長

知道消聲器的總體積和擴張室直徑后可以計算出消聲器的總長度L：

縱橫比：

縱橫比滿足設計要求。

(5)消聲器各腔的長度

消聲器總長確定后，就要確定各級的長度，可以看出sin2(Kili)=1時，TL最大，所以

L2=L-L1=1.35m

(6)為了消除通過頻率，在消聲器各擴張室的入口和出口端接入內插管，分別用以消除波長的奇數倍的通過頻率和偶數倍的通過頻率。

(7)消聲頻率范圍

(8)用以消除高頻噪聲的阻性吸聲材料

表1超細玻璃棉的相關參數

(二)數值模型

利用Gambit件結合消聲器的以上結構參數進行建模，排氣消聲器尺寸大、結構復雜，為使網格劃分合理，既能反映小尺度部件，又控制網格數量，還具有良好的邊界擬合特性，采用非結構化不均勻四面體網格劃分方案。計算域網格尺度從幾毫米到幾十毫米不等，總網格單元數約為104857個，最終模型結構見圖1。

圖1 消聲器整體及局部網格示意圖

四、數值模擬結果分析

圖2 消聲器內部軸向截面流線圖

圖2為消聲器的內部流線圖，進口段的流線平行均勻，流體繞過彎道進入第一腔廓張室后，其中有渦流產生，但渦流部分流速較低，由此產生的再生噪聲較小。消聲器的消聲效果較好，進出口測點處的頻譜圖如下圖所示：

圖3 消聲器入口測點處的聲壓級-頻率及聲壓級-1/3倍頻程頻譜圖

圖4 消聲器出口測點處的聲壓級-頻率及聲壓級-1/3倍頻程頻譜圖

將上面的倍頻程聲壓級按式(1)計算得到消聲器入口處的總聲壓級為109dB，消聲器出口處的總聲壓級為94dB，整和吸聲材料消除的高頻噪聲大約10dB，該消聲器大約能消掉噪聲24dB。

LP總=10lg[(100.1Lp1+100.1LP2+…+100.1LPn)]

(1)

五、結論

所設計的原型排氣消聲器是一個典型的抗型排氣消聲器，單憑經驗公式計算出來的消聲量只能做為近似預估總體參數，很難考察它的內部聲場，因此利用數值模擬方法進行了數值分析和降噪性能驗證，通過對消聲器內速度矢量場、壓力場和湍動能流場的分析，指出了流場在消聲腔里噪聲再生的原因。

[1]馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊.機械工業出版社，2007.1

[2]黎志勤.汽車排氣系統噪聲與消聲器設計.中國環境科學出版社，1991.2

[3]張林.柴油機排氣消聲器的設計選型.起重運輸機械，2001

劉志俊，職稱中級,主要研究船舶檢驗。