基于CFD和声学有限元法的抗性消声器性能研究

陈庆光，李　凤

（山东科技大学　机械电子工程学院，山东　青岛266590）

基于CFD和声学有限元法的抗性消声器性能研究

陈庆光，李凤

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

空气动力学性能和声学性能是用来评价抗性消声器优劣的主要指标。针对管道消声中常用的抗性消声器，利用计算流体动力学（CFD）方法模拟三种不同结构抗性消声器内部流场的压强分布特性，获得抗性消声器的压力损失，并与半经验公式的计算结果进行对比，分析不同结构抗性消声器的空气动力学性能以及半经验公式法的适用性；利用声学有限元方法对三种结构抗性消声器的传递损失进行计算，定性地分析和验证三种抗性消声器的声学性能。研究结果可为抗性消声器的结构优化设计和综合性能的提高提供参考。

声学；抗性消声器；压力损失；传递损失；CFD；声学有限元方法

空气动力学性能、声学性能和机械性能是评价消声器性能优劣的三个常用指标。消声器的空气动力学性能和声学性能的两个主要技术指标——压力损失和传递损失，往往是相互影响的。传递损失反映的是消声器对噪声的削弱程度，而在增加消声器传递损失的同时，往往会使消声器的压力损失同时增大，从而导致功率损失的增大。因此，在消声器设计过程中应充分考虑两者的相互影响，在提高消声器传递损失的同时，尽可能地控制压力损失，这有利于提高消声器的综合性能。

本文分别利用计算流体动力学（CFD）和声学有限元法对三种不同结构的抗性消声器的压力损失和传递损失进行数值模拟计算，通过数值模拟结果与半经验公式法计算结果的对比，评价不同结构抗性消声器性能的优劣，分析半经验公式法的适用性。研究结果不仅对抗性消声器的结构优化设计具有参考价值，而且对提高抗性消声器的综合性能也具有一定的指导意义。

1　研究对象及计算参数

对于抗性消声器来说，无论其结构多么复杂，一般都是由扩张室、内插管和穿孔管等基本抗性消声器组合而成的。在设计抗性消声器时，通常是根据实际需要将一种或几种基本抗性消声器进行组合，形成满足性能要求的消声器。选取的研究对象为典型扩张室消声器、带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器3种，其结构及尺寸分别如图1（a）—图1（c）所示。

所涉及的消声器压力损失和传递损失的计算均以空气作为入口流体，模拟温度为20℃，取空气密度ρ=1.225 kg/m3，空气动力粘度μ=1.789 4×105Pa∙s，消声器出口的相对压强为0 Pa，消声器壁面材料为厚度5 mm的Q 235-A。消声器入口风量Q= 2 543.4 m3/h，即入口平均速度V=22.5 m/s。

2　抗性消声器的压力损失计算

2.1 CFD数值计算

抗性消声器流体动力学数值计算包括三维建模、网格划分、边界条件确定、湍流模型的选取、数值模拟及数据后处理等过程［1］。在对消声器的数值模拟过程中，未考虑消声器内部流体传热的影响，重点研究常温下消声器传递损失的变化规律。运用商业软件ANSYS 14.0中的FLUENT 14.0模块分别对上述三种消声器进行流场分析。设置入口边界条件为速度进口条件，进口平均速度为V=22.5 m/s，出口为压力出口条件，计算采用SIMPLE算法，选用标准k-ε模型模拟湍流流动。图2（a）—（c）分别为CFD模拟得到的三种抗性消声器的进出口静压散点图。

当消声器的进、出口截面积相同，且气流平均速度相同时，消声器的压力损失就等于消声器进、出口端之间气体平均静压的降低量［2］。由CFD数值模拟结果可分别计算出上述3种消声器的压力损失。

2.2半经验公式法

根据流体力学原理，利用经验公式计算消声器的压力损失时，需要分别计算出摩擦阻力损失和局部阻力损失，两者之和即为消声器的压力损失值［3］。式（1）和式（2）分别是摩擦阻力损失和局部阻力损失计算的经验公式［4］。

式中Δpλ——摩擦阻力损失，Pa；

λ——摩擦阻力损失系数；

l——消声器的长度，m；

deq——消声器内部通道等效直径，m；

ρ——气体密度，kg/m3；

V——气体流速，m/s。

式中Δpε——局部阻力损失，Pa；

ε——局部阻力损失系数。

2.3计算结果对比

由CFD方法和经验公式法计算得到的抗性消声器压力损失对比如表1所示。

表1　抗性消声器压力损失对比　单位：Pa

图1　三种基本抗性消声器示意图（单位：mm）

图2　三种基本抗性消声器进出口静压散点图

由表1中的数据对比可以看出，典型扩张室消声器的压力损失远大于带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器，而且前者还存在消声量为0的通过频率，所以在设计抗性消声器时尽量不使用典型结构的扩张室消声器；在相同的外形尺寸条件下，穿孔管消声器的压力损失最小，其次是带内插管的扩张室消声器，且两者的压力损失都在100 Pa以内。由于带内插管的扩张室消声器相对于穿孔管消声器结构更为简单，制造加工、维修清理方便，成本也比较低，且穿孔管消声器的特殊结构在某些情况下还容易造成穿孔的堵塞。所以在设计抗性消声器时，若对压力损失没有严格要求，应尽量采用带内插管的扩张室消声器。经验公式法适用于对典型抗性消声器压力损失的计算，而对于带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器等较为复杂消声器的压力损失来说，利用经验公式法计算压力损失可能存在较大的偏差。

3　抗性消声器传递损失数值模拟

抗性消声器的传递损失采用基于声学有限元法的商用软件LMS Virtual.Lab Acoustics进行数值模拟。将抗性消声器的三维几何模型导入LMS Virtual.Lab Meshing模块中划分声学网格，再将声学网格导入声学有限元模块，生成声学包络网格［5］；定义流体为空气，密度为1.225 kg/m3；定义出口为无反射边界条件，空气的声阻抗为416.5 kg/（m2·s）。利用声学有限元方法计算得到的前述3种抗性消声器的传递损失曲线如图3（a）—图3（c）所示。

从图3（a）中可以看出，在某些频率上，典型扩张室消声器的最大传递损失为12 Pa～16 Pa，但是也存在传递损失小于零的频率，这些频率即为单腔扩张室消声器的通过频率，在这些频率处消声器不具有消声作用。由此也验证了普通单腔扩张室消声器存在通过频率这一缺陷。

由图3（b）中可以看出，带内插管的扩张室消声器的传递损失几乎都大于零，且在某些频率的最大传递损失达到28 Pa，但波动较大。与典型扩张室消声器相比，带内插管的扩张室消声器不仅基本解决了通过频率的问题，还显著提高了其消声性能。

由图3（c）中可以看出，穿孔管消声器的传递损失在整个消声频带上都保持在79 Pa～137 Pa之间，而且在高频段也有较高的传递损失，这不仅说明穿孔管消声器比典型扩张室消声器和带内插管的扩张室消声器的消声性能好而且更为稳定，同时也验证了穿孔管消声器在高频段也具有良好的消声效果［6］，弥补了一般的抗性消声器仅对降低中低频噪声有效的缺陷。

4　结语

通过对3种具有不同结构的抗性消声器性能的数值模拟、经验公式计算和对比分析，得到以下主要结论：

（1）典型扩张室消声器的压力损失远大于带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器，传递损失又比带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器小得多，而且还存在消声量为0的通过频率，所以在设计抗性消声器时应尽量不采用典型结构的扩张室消声器；

（2）在外形结构相同时，带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器的压力损失相差不大，且都比较小，而带内插管的扩张室消声器相对于穿孔管消声器结构具有更好的机械性能。所以，设计抗性消声器时，在满足设计要求的前提下，应优先采用带内插管的扩张室消声器；

（3）穿孔管消声器的消声性能明显优于带内插管的扩张室消声器，而且在高频段也具有良好的消声效果。因此，当在宽频段上对消声器声学性能要求较高的情况下，可以考虑选用穿孔管消声器。

图3　三种基本抗性消声器传递损失曲线

［1］王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用［M］.北京：清华大学出版社，2004.1-158.

［2］毕嵘.复合式消声器声学特性的分析方法和实验研究［D］.合肥：合肥工业大学，2012.

［3］胡效东.基于CFD仿真和实验的抗性消声器研究［D］.济南：山东大学，2007.

［4］马家义.消声器内部流场声学特性研究［D］.长春：吉林大学，2005.

［5］张晓龙，李功宇.扩张式消声器消声特性理论研究和实验分析［J］.噪声与振动控制，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编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.034

1006-1355（2015）05-0164-03+216

2014－07－05

山东省自然科学基金项目（ZR2013EEM017）；中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目（MTKJ 2011-366）

陈庆光（1969－），男，山东莒南县人，博士、教授、博士生导师，主要从事流体机械及工程、噪声与振动控制、流固耦合计算与分析等方面的教学和研究工作。

E-mail:chenqingguang03@tsinghua.org.cn