基于流體仿真技術的氣槍降噪噴頭研究

薛飛 黃忠 王其龍 李曉偉 黃巍

摘要：吹屑氣槍是機加工車間中廣泛應用于清潔工件表面切削液、切屑的工具。高速流動的空氣會產生噪聲，影響操作者的身心健康。從流體力學理論提出了降噪氣槍噴頭的設計思路，并通過Flow Simulation流體仿真軟件對降噪噴頭在不同吹屑環境下的聲學能級進行研究，采用3D打印技術制做了降噪噴頭。經過實際檢驗，噪聲下降為原來的80%。

關鍵詞：雷諾數；流體仿真；降噪

吹屑氣槍（以下簡稱氣槍）是用壓縮空氣動能對工件、夾具上難以清潔部位吹掃，清除附著在工件表面的切屑和切削液（見圖1）。尤其適用于空間位置較小的孔系、內腔等部位。具有清掃效果好、使用便捷的特點。在帶來便利的同時，氣槍也是機加工車間中產生噪聲的重要來源之一。長期在噪聲環境中工作會導致耳鳴、神經衰落、永久性聽力損傷。隨著人們對噪聲污染的日益重視，在保證吹掃力的同時如何減少氣槍吹掃過程中的噪聲有著重要的意義。

流體分析

根據流體力學知識，隨著壓縮空氣流速的提高，氣流由層流向紊流轉變。氣槍產生的噪聲就是因為從氣槍噴頭高速噴涌出的壓縮空氣與噴頭周圍低壓的空氣產生了不穩定的紊流。而紊流引起空氣的振動、漩渦的破裂，產生向周圍輻射的噪聲。同時，紊流狀態下氣流的漩渦、軌跡曲折混亂的形態也使得氣流的動能大量損耗，降低了吹掃力。

要消除氣槍產生的嘯叫噪聲就是要將氣槍噴頭處紊亂無序氣流的紊流狀態變為層流。流體力學中，通常用雷諾公式及雷諾數Re來表達流體流動情況：

Re=ρvd/μ ? ? ? ? （1）

式中 ?ρ——流體的密度；

v——流體的流速；

d —— 特征長度，對于圓柱形管道用當量直徑

來表示；

μ——黏性系數。

當雷諾數較小時流體為層流，隨著雷諾數的增大，流體逐漸向紊流狀態過渡。由雷諾公式可知，如要減少雷諾數，可以減少流體的流速、密度、管道直徑，增加黏性系數。但壓縮空氣的密度、黏性系數由其物理特性決定無法改變。而減少流速會減少氣流動能，降低吹掃力。采用將噴嘴設計成多個小孔的結構，且小孔的總截面積與原氣槍開口管的截面積相等。達到既減少氣流噴口直徑，又不減少流量的目的。當紊流轉變為層流時，不僅降低了噪聲還避免氣流無續的損耗，提高定向動能的轉化率。針對生產現場不同的氣槍結構，分別設計了螺紋接口和光孔接口的兩種降噪噴頭（見圖2）。

基于流體仿真的聲學分析

分別建立降噪噴頭和普通開口管的三維模型（見圖3）。在噴頭尾部繪制氣管，在噴頭外部繪制一個圓通來模擬“風洞”環境（見圖4）。

進入Flow Simulation流體仿真軟件界面新建項目，設定常用的氣壓單位MPa，分析類型為內部，流體成分為空氣及標準大氣壓、環境溫度等參數（見圖5）。

氣槍管的輸入端及風洞的兩端建立封蓋，并將氣槍管的輸入端壓力設為0.6MPa，風洞的兩端壓力設為靜壓，即標準大氣壓（見圖6）。

設定計算域和網格數量，對模型進行運算。在運算結果切面圖中插入“聲學能級”的參數，可通過聲能分布等高線圖觀察噪聲大小和分布情況（見圖7）。

當吹掃區域沒有任何障礙物時，傳統開口管最高198dB，降噪噴頭最高157.17dB。且傳統開口管噪聲分布范圍約是降噪噴頭的2倍（見圖8）。

當氣槍垂直于工件表面時，傳統開口管最高151dB，降噪噴頭最高136dB。且傳統開口管噪聲分布范圍約是降噪噴頭的3倍（見圖9）。

當氣槍對盲孔吹屑時，傳統開口管最高177dB，降噪噴頭最高147dB。且傳統開口管噪聲分布范圍約是降噪噴頭的6倍（見圖10）。

通過流體仿真分析，可得出結論。降噪噴頭可有效降低傳統氣槍的噪聲。尤其是在對平面和盲孔中吹屑這類易產生嘯叫的情況下，效果更明顯。

具體措施

降噪噴頭的基體是采用熔融沉積成型法（FDM）或光固化法（SLA）3D打印技術制造的。受3D打印工藝限制，直徑小于0.6mm的孔無法打印，因此將小孔直徑設定為0.6mm。同時，受3D打印制造精度限制，無法滿足與氣槍連接部位的精度要求。在降噪噴頭建模時，要對連接部位留有精加工余量。對螺紋接口的噴頭打印后，用板牙套外螺紋。對光孔接口的噴頭打印后，用鉸刀精加工連接孔徑。降噪噴頭與氣槍連接時最好在連接處涂抹密封膠，提高連接牢固性和密封性。如果沒有3d打印設備的現場也可以用塑料棒料機加工的方式加工噴頭（見圖11）。

結語

1）使氣槍噴射出的高壓氣流呈層流狀態。原氣槍實測噪聲112.3dB，安裝降噪噴頭后實測噪聲89.9dB。既噪聲下降為原來的80%，說明降噪噴頭可以有效降低氣槍噪聲（見圖12）。

2）由于減少原氣槍高速氣流在紊流狀態下無序摩擦、旋渦導致的能耗損失。使得高速氣流更加聚焦，提升吹掃效果。

3）采用3D打印和機加工方式組合的制造工藝。發揮了3D打印柔性、自動化性高的特點，又用局部機加工解決了3D打印精度不高的問題。

結語

1）使氣槍噴射出的高壓氣流呈層流狀態。原氣槍實測噪聲112.3dB，安裝降噪噴頭后實測噪聲89.9dB。既噪聲下降為原來的80%，說明降噪噴頭可以有效降低氣槍噪聲（見圖12）。

2）由于減少原氣槍高速氣流在紊流狀態下無序摩擦、旋渦導致的能耗損失。使得高速氣流更加聚焦，提升吹掃效果。

3）采用3D打印和機加工方式組合的制造工藝。發揮了3D打印柔性、自動化性高的特點，又用局部機加工解決了3D打印精度不高的問題。