劉雅琳，董耀誠(chéng)，趙 蕾

（西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安 710055）

對(duì)于營(yíng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)是不可或缺的，其使用已涉及到住宅、商業(yè)及工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。但在為室內(nèi)提供適宜溫濕度的同時(shí)，它所帶來(lái)的噪聲問(wèn)題也普遍存在。這不僅會(huì)影響工作效率，降低生活品質(zhì)，長(zhǎng)期處于受污染的聲環(huán)境中還會(huì)對(duì)身體健康造成嚴(yán)重危害。隨著人們對(duì)健康及生活品質(zhì)要求的日益提高，噪聲問(wèn)題已不容忽視。氣體流動(dòng)所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是空調(diào)系統(tǒng)主要的噪聲問(wèn)題之一，它包括風(fēng)機(jī)噪聲，管道噪聲以及末端風(fēng)口噪聲。針對(duì)管內(nèi)氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，Hambric等人[1]研究了90°彎頭內(nèi)氣流導(dǎo)致的管道振動(dòng)特性及氣動(dòng)噪聲的聲功率頻譜特性，并提出了CFD與結(jié)構(gòu)聲學(xué)耦合的分析程序；Zhang等人[2]同樣對(duì)90°彎頭的振動(dòng)和氣動(dòng)噪聲問(wèn)題進(jìn)行了探討，分析了管內(nèi)導(dǎo)流葉片的作用；Yiping Cao等人[3]將理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了管道內(nèi)噪聲的傳播過(guò)程，推導(dǎo)出流場(chǎng)與壓力梯度場(chǎng)之間的協(xié)同關(guān)系；許冬[4]使用仿真方法對(duì)相同尺寸和流速條件的矩形及圓形管道進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)圓形直管道出口噪聲略低于矩形管道；Msasski M等人[5]使用不同壁厚的矩形截面三通管進(jìn)行試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)三通管內(nèi)氣流的噪聲特性與管道結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。C.M.Mak[6-7]分析了相鄰管道元件的相互影響，并引入修正因子對(duì)管道氣動(dòng)噪聲的計(jì)算公式進(jìn)行提出了修正。

受C.M.Mak研究?jī)?nèi)容啟發(fā)，本文將氣動(dòng)噪聲基礎(chǔ)理論公式作為出發(fā)點(diǎn)，將我國(guó)現(xiàn)行指導(dǎo)規(guī)范中的空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲計(jì)算方法與國(guó)外方法進(jìn)行比對(duì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試與數(shù)值模擬的方法進(jìn)行探究，為我國(guó)空調(diào)風(fēng)管系統(tǒng)噪聲計(jì)算方法的完善提出合理建議，以期為空調(diào)管網(wǎng)系統(tǒng)聲學(xué)設(shè)計(jì)提供更加合理的指導(dǎo)。

1 三通氣動(dòng)噪聲計(jì)算方法的比較

通過(guò)將我國(guó)空調(diào)行業(yè)指導(dǎo)手冊(cè)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[8]（后文簡(jiǎn)稱“手冊(cè)1”）與美國(guó)暖通空調(diào)制冷工程師學(xué)會(huì)編制的《ASHRAE Handbook》[9]（后文簡(jiǎn)稱“手冊(cè)2”）、英國(guó)皇家屋宇裝備工程師學(xué)會(huì)手冊(cè)《CIBSE guide B》[10]（后文簡(jiǎn)稱“手冊(cè)3”）以及日本空氣調(diào)節(jié)衛(wèi)生工學(xué)會(huì)主編的《空氣調(diào)節(jié)·衛(wèi)生工學(xué)便覽》[11]（后文簡(jiǎn)稱“手冊(cè)4”）中空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲理論計(jì)算的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)主要差別集中于三通管件的氣動(dòng)噪聲計(jì)算[12]。對(duì)風(fēng)管系統(tǒng)而言，三通管件使用廣泛，尤其對(duì)于大、中型管網(wǎng)其使用更為普遍，三通氣動(dòng)噪聲的準(zhǔn)確計(jì)算將對(duì)系統(tǒng)整體的聲學(xué)設(shè)計(jì)具有重要意義。因“手冊(cè)4”與“手冊(cè)2”中該部分內(nèi)容基本相同，故將手冊(cè)1－3相關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)介如下。

1.1 《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》算法

手冊(cè)1中三通管件處氣動(dòng)噪聲的聲功率級(jí)Lw按式(1)計(jì)算

其中：Lwc表示比聲功率級(jí)，單位dB，由圖1中查取，并根據(jù)圖2修正；fD表示倍頻帶低限頻率，單位Hz，通過(guò)確定，fz為倍頻帶中心頻率，單位Hz；de表示支管處當(dāng)量直徑，單位m，由確定，h和a分別為矩形截面長(zhǎng)、寬；va表示支管處流速，單位

1.2 ASHRAE Handbook計(jì)算方法

手冊(cè)2和4中三通管件處氣動(dòng)噪聲的聲功率級(jí)Lw按式(2)計(jì)算

圖1 三通的Lwc值

圖2 三通Lwc修正值

其中：F表示流動(dòng)特性決定的頻譜函數(shù)，單位dB，見(jiàn)圖3；G表示管內(nèi)流速函數(shù)，單位dB，見(jiàn)圖4；H表示倍頻修正函數(shù)，單位dB，參考表1。

表1 修正函數(shù)H取值

1.3 CIBSE guide計(jì)算方法

手冊(cè)3附錄中提供了三通氣動(dòng)噪聲計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)中心頻率f與削減頻率fc的關(guān)系，分別按照式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算

圖3 三通F函數(shù)值

圖4 三通G函數(shù)值

上述三種算法中公式的形式截然不同，在參數(shù)NStr的計(jì)算上也存在差別，手冊(cè)1中NStr按支管處管徑及流速計(jì)算，手冊(cè)2中則按干管入口處管徑及流速計(jì)算。而在實(shí)際計(jì)算中，各算法的結(jié)果存在怎樣的差異，何種算法更為合理，需進(jìn)一步研究。

2 不同三通氣動(dòng)噪聲算法結(jié)果對(duì)比

引用手冊(cè)1與手冊(cè)2中的氣動(dòng)噪聲算例，使用不同方法對(duì)其中的三通氣動(dòng)噪聲進(jìn)行計(jì)算，并比較結(jié)果。因手冊(cè)3算法只提供了特定尺寸三通對(duì)應(yīng)的參數(shù)ζ，不適用于下列三通，且手冊(cè)2與手冊(cè)4所用方法相同，故僅將手冊(cè)1與手冊(cè)2算法進(jìn)行比較。

2.1 《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》算例

某會(huì)議室空調(diào)送風(fēng)管路系統(tǒng)如圖5所示，其中2－3處為一分流三通，相應(yīng)幾何尺寸及流速條件已在圖中標(biāo)注。使用手冊(cè)1與手冊(cè)2算法所得結(jié)果見(jiàn)表2。由表可知，在流速及結(jié)構(gòu)等條件相同情況下，兩種算法在不同頻率下所得結(jié)果均存在約20 dB差值。

圖5 空調(diào)系統(tǒng)布置圖

2.2 ASHRAE Handbook算例

某辦公室空調(diào)送風(fēng)管路系統(tǒng)見(jiàn)圖6，2－3處為一分流三通，幾何尺寸及氣流速度已標(biāo)于圖中。表3所示為使用手冊(cè)1與手冊(cè)2中算法所得結(jié)果。由表可知，在流速及結(jié)構(gòu)等條件相同情況下，不同頻率下的計(jì)算結(jié)果均存在約15 dB差值。

圖6 空調(diào)管路系統(tǒng)圖

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比與討論

針對(duì)三通管件氣動(dòng)噪聲的計(jì)算，手冊(cè)3中算法因受參數(shù)ζ限制僅適用于特定尺寸三通，不具有普遍適用性；其次，對(duì)于相同條件下支管段的氣動(dòng)噪聲，手冊(cè)2算法結(jié)果比手冊(cè)1高出20%以上，差異較大。經(jīng)比較分析，NStr的差別并不是造成最終結(jié)果差異的主要原因。

3 三通氣動(dòng)噪聲檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為探究不同算法與實(shí)際情況的相近程度，采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)三通支管出口端氣動(dòng)噪聲進(jìn)行測(cè)試。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

三通氣動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖7所示，包括：1風(fēng)機(jī)、2軟連接、3消聲器、4隔聲板、5三通管道、6支座、7風(fēng)速儀、8聲級(jí)計(jì)，9處為測(cè)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中選取了矩形支管三通和圓形支管三通，具體尺寸及流速條件如圖8所示。

表2 三通2－3氣動(dòng)噪聲計(jì)算結(jié)果

表3 三通2－3氣動(dòng)噪聲計(jì)算結(jié)果

圖7 實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

圖8 三通管道結(jié)構(gòu)圖

測(cè)試時(shí)將風(fēng)機(jī)、消聲器與三通管道分置于兩相鄰房間，中間使用隔聲板格擋，使氣流經(jīng)消聲器降噪后進(jìn)入三通管道，減小風(fēng)機(jī)噪聲對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

測(cè)點(diǎn)9布置在支管出口中心45°方向200 mm處，同時(shí)距地、墻面大于1 500 mm。測(cè)試背景噪聲為31.8 dB（A）。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將使用手冊(cè)1和手冊(cè)2中算法計(jì)算得到的三通氣動(dòng)噪聲聲功率級(jí)，依據(jù)式(5)求得其對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)并進(jìn)行A計(jì)權(quán)換算，疊加求得理論總A聲級(jí)。各頻率A計(jì)權(quán)聲級(jí)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

其中：Lp為所求聲壓級(jí)，單位dB；r為聲源發(fā)出位置距測(cè)點(diǎn)的距離，單位m。

從表4可以看出：手冊(cè)2算法所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)更為接近，說(shuō)明手冊(cè)2算法與實(shí)際情況更加符合；當(dāng)量直徑相同，截面形狀不同的三通支管，實(shí)測(cè)所得A計(jì)權(quán)聲級(jí)值相近，說(shuō)明在該條件下支管截面形狀對(duì)結(jié)果影響不大。此外，實(shí)測(cè)數(shù)值與手冊(cè)2算法結(jié)果相差約9%，可能是受管壁振動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲影響。

4 數(shù)值模擬

參照文獻(xiàn)[13]的仿真思路，本文采用Fluent+LMS Virtual Lab聯(lián)合模擬的方法，對(duì)三通氣動(dòng)噪聲展開(kāi)研究：先在Fluent中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，將模擬結(jié)果（流場(chǎng)內(nèi)壓力分布）以cgns格式文件輸出并導(dǎo)入Virtual Lab軟件，與ICEM軟件建立的聲學(xué)有限元模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移及傅里葉變換，經(jīng)聲學(xué)響應(yīng)計(jì)算求得聲場(chǎng)分布。本文通過(guò)與文獻(xiàn)[14]中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的有效性，如圖9所示。

表4 理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 模擬結(jié)果對(duì)比圖

4.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

模型尺寸見(jiàn)圖10：干管為正方形截面，邊長(zhǎng)為250 mm，上下游管長(zhǎng)為1 m；支管邊長(zhǎng)為250 mm×160 mm，管長(zhǎng)為1.5 m。

非穩(wěn)態(tài)使用LES模型，為滿足Y+值～1的精度要求，邊界層首層設(shè)為0.08 mm，整體使用六面體網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺度為7 mm，經(jīng)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終總單元數(shù)為946 642。聲學(xué)有限元模型同為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為18 mm，求解上限為3 100 Hz。

圖10 管件模型結(jié)構(gòu)圖

4.2 邊界條件及求解器設(shè)置

運(yùn)用Fluent計(jì)算時(shí)，干管進(jìn)口采用速度邊界，為8.5 m/s；干管出口采用壓力出口，為18.40 Pa；支管出口為壓力出口，取-15.79 Pa。壁面條件為無(wú)滑移剛性壁面。瞬態(tài)計(jì)算步長(zhǎng)為2.5×10-4s，對(duì)應(yīng)最大求解頻率2 000 Hz，經(jīng)0.43 s流體從支管流出，故迭代1 720步后開(kāi)始輸出cgns文件。求解器相關(guān)設(shè)置見(jiàn)表5。氣動(dòng)噪聲模擬云圖見(jiàn)圖11。

表5 求解器相關(guān)設(shè)置

圖11 氣動(dòng)噪聲模擬云圖

由于使用各手冊(cè)中的噪聲理論公式計(jì)算時(shí)并未具體到點(diǎn)，因而此處將模擬所得支管范圍內(nèi)噪聲最大值與理論計(jì)算值作比較，比較結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 模擬結(jié)果與理論計(jì)算對(duì)比圖

由圖12可知，數(shù)值模擬結(jié)果與兩本手冊(cè)算法所得結(jié)果趨勢(shì)一致，但手冊(cè)2算法結(jié)果與數(shù)值模擬更為接近。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)比較《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》、《ASHRAE Handbook》、《CIBSE guide B》以及《空氣調(diào)節(jié)·衛(wèi)生工學(xué)便覽》四本手冊(cè)中三通管件處氣動(dòng)噪聲的計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)手冊(cè)2和手冊(cè)4的方法相同，手冊(cè)3通用性差，手冊(cè)1和手冊(cè)2具體計(jì)算中存在明顯差異。

(2)通過(guò)對(duì)三通管件支管處氣動(dòng)噪聲的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在相同管件尺寸及流速條件下，手冊(cè)2和手冊(cè)4中所用公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為接近，表明這兩本手冊(cè)算法更符合實(shí)際，數(shù)值仿真也印證了上述結(jié)論。

(3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了支管當(dāng)量直徑相同、截面形狀不同的三通支管噪聲總聲壓水平差異較小。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，干管出口端氣動(dòng)噪聲水平低于支管出口處，在數(shù)值模擬中也發(fā)現(xiàn)相似問(wèn)題，這與手冊(cè)2中“干管出口端噪聲水平大于支管端”的表述矛盾，對(duì)此將展開(kāi)進(jìn)一步探究。而實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的變截面三通無(wú)法根據(jù)上述手冊(cè)計(jì)算噪聲水平，可對(duì)此這部分內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。

此外，手冊(cè)1中的噪聲計(jì)算章節(jié)完全引自1987年版《建筑聲學(xué)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[15]，隨著空調(diào)行業(yè)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)對(duì)其中部分內(nèi)容做出更新和補(bǔ)充，而這憑借如今先進(jìn)的技術(shù)水平與實(shí)驗(yàn)條件完全是可以實(shí)現(xiàn)的。