进气导流管对抗性消声器性能的影响研究

刘智建，张 杰，姚新改，郭文亮

（1.太原理工大学机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.精密加工山西省重点实验室，山西 太原 030024）

1 引言

消声器被广泛的应用在发电、汽机排汽、风机、安全门等机械设备中，起着消声降噪的作用；同时也影响着整个机械系统的动力性、经济性和噪声性能。抗性消声器对中低频噪声有较好的抑制，然而截面突变会带来较大的压力损失，当高速流气流经过扩张式腔体结构时不但产生较大的阻力损失而且降低了消声器的消声性能。通常在排气消声器设计和改进过程中，主要根据进气口管直径等参数确定消声器的扩张比、腔体长度等参数，这些参数重点考虑了消声器的传递损失却忽略了阻力损失[3]。消声器的阻力损失和与v2成正比[4]，可见气流在消声器中起到的负面作用不容忽视。

目前国内外学者关于阻力损失的研究有：文献[1−2]研究了多入口多出口的阻力损失；文献[3]研究了不同类型抗性消声器的阻力损失；文献[4]研究了关于冷却塔消声器扩张角度对阻力损失的影响；文献[5]对穿孔壁面阻力特性进行了研究。文献[6]提出了分流的思想即引导流体进入不同的通道降低了内部气体的流速从而达到减小阻力损失的目的。文献[7]对排气系统复杂消声器进行了阻力损失分析。但对于导流管在消声器性能上的影响鲜有研究，侧重在单腔消声器内部添加导流管以达到减小气流扩散降低阻力损失的目的。

2 研究理论

消声器内部的流体流动满足流体力学三个基本方程分别为流体流动连续性方程、流体力学动量方程、和流体力学能量方程。连续性方程为：

式中：ux、uy、uz—x、y、z三个方向的速度分量，m/s；t—时间，s；ρ—密度，kg/m3。

消声器计算时采用无粘性流体的动量守恒方程：

流体力学能量方程为：

式中：E—流体微团动能，J/kg；包含内能、动能和势能之和，；h—焓，J/kg；ℎj—组分j的焓，J/kg；keff—有效热传导系数，W（/m∙K）；keff=k+kt，kt—湍流热传导系数，根据所用的湍流模型来确定；Jj—组分j的散通量；Sℎ—包括了化学反应热及其他用户定义的体积热源项。

消声器内部气体在排气系统中的流动，实际是一种湍流运动，计算消声器内部流场时采用标准化的k−ε双方程湍流模型，设置入口流速分别为10m/s、20m/s、30m/s、40m/s、50m/s、60m/s、70m/s；出口为压力出口，表压设置为0。湍流强度由下式计算[8]：

式中：ρ—空气密度；v—气流速度；d—消声器管道直径；μ—空气动力粘度系数，取（1.8×10−5）Pa·s。

计算所得各个速度下的湍流强度，如表1所示。

表1 湍流强度Tab.1 Turbulence Intensity

消声器的空气动力性能通常用阻力损失来衡量，定义为入口端与出口端的全压差：

式中：p1—消声器入口端全压；

p2—消声器出口端全压。

3 导流管偏置扩张式消声器性能分析

为了确保各因素下对比结果的准确性，分析模型均在三维软件UG中建立；阻力损失计算将模型导入到Fluent中计算；传递损失在LMS Virtual.Lab 中计算。

3.1 导流管偏置扩张式消声器结构及阻力损失

建立四种不同导流管长度的偏置型抗性消声器，如图1所示。此结构偏置63mm可以使得高阶声模态得到有效地抑制，从而提高高频范围内的传递损失[9]。同时为了尽可能的减小阻力损失，导流管的曲率半径应尽可能大且平滑，所以取两段曲率半径相同的导流管（图1（b）、图（c）中R=174.48mm；图（d）中R=105.04mm）。四种结构的阻力损失，如图2所示。

图1 不同导流管旁支型扩张腔消声器Fig.1 Different Draft Tube Side−Supporting Expansion Chamber Muffler

图2 不同导流管偏置扩张式阻力损失对比Fig.2 Comparison of Biased Expansion Pressure Loss of Different Draft Tubes

从图2可以看出，添加进气导流管后的阻力损失明显减小且入口流速越大导流管的作用越显著；如当流速达到70m/s 时，b（2298.32Pa）较a（5688.87Pa）的阻力损失降低了3390.55Pa，而c的阻力损失（1463.59Pa）又比b进一步降低了804.73Pa；同时可见增加出口内插管后由于扩散气流的行程缩短所以阻力损失进一步减小，在气流必要的行程内导流管越长阻力损失越小。由c与d对比可得当缩短进气导流管长度时弯管的曲率半径会减小从而导致阻力损失明显增加，如70m/s时，d（3169.49Pa）比（c1463.59Pa）的阻力损失高出1705.9Pa；综合对比a、b、c可得，弯管曲率半径增加所导致的阻力损失增加远远大于因出口内插管所导致的。这其中导流管的一个重要作用是防止气流湍流所导致的旋涡，而高流速且直径小的旋涡会使得阻力损失大大增加。

3.2 导流管偏置扩张式消声器传递损失

将上述四种不同结构的消声器导入Virtual.Lab中得到传递损失对比，如图3所示。

图3 不同导流管偏置扩张式消声器传递损失对比Fig.3 Comparison of Transmission Losses of Different Draft Tube Offset Expansion Muffler Tubes

由上图可以看出所有添加导流管的偏置扩张式消声器在（0~1000）Hz的范围内传递损失明显增加。在（0~1000）Hz内a、b、c、d的 平 均 传 递 损 失 分 别 为19.04dB、25.37dB、24.99dB、28.96dB。在（1000~3000）Hz范围内的传递损失结构a优于b、c、d三种形式。全频段内a、b、c、d四种结构的平均传递损失为20.74dB、17.68dB、19.33dB、20.54dB，对比a、b、c可得添加导流管会降低传递损失，出口内插管会提高传递损失；对比c、d可得：导流管曲率半径减小会提高消声器的声学性能。

4 导流管旁支扩张式消声器性能分析

4.1 导流管旁支式扩张式消声器结构及阻力损失

建立四种旁支型扩张式抗性消声器结构模型，如图4所示。

图4中a为典型的旁支型扩张式消声器，b、c、d为添加不同进气导流管的扩张式消声器。导流管都取曲率半径最大且平滑的90º的弯头[10]。其阻力损失对比，如图5所示。

图4 不同导流管旁支型扩张式消声器结构Fig.4 Side−Supporting Type Muffler Structure with Different Draft Tubes

图5 不同导流管旁支型扩张式消声器阻力损失对比Fig.5 Comparison of Resistance Losses of Different Type of Draft Tube Side−Supporting Muffler

由图5 得出结构b在a的基础上添加导流管后，70m/s 时b（4031.97Pa）较a（5898.03Pa）阻力损失在时减小了1866.06Pa，但由于气流方向改变了90º气体仍然具有惯性导致大量气体冲击到出口管的下壁面，速度云图，如图6所示。

图6 b结构气流速度云图Fig.6 b Structure Airflow Velocity Cloud Map

由图6可得气流中心较出口管中心偏离了18mm，所以在b结构的基础上将c导流管向上平移18mm，避免气体冲击壁面的现象，同时导流管曲率半径会减小。由图5 可以看出在70m/s 时c（2492.73Pa）较b（4031.97Pa）的阻力损失再次降低了1539.24Pa，b、c对比可得气流冲击壁面是影响阻力损失的最主要因素。d在c结构基础上添加了出口内插管，由图5可得，在70m/s时d（2118.48Pa）的阻力损失仅比（c2492.73Pa）降低了374.25Pa，由此可得：出口内插管对阻力损失的影响小于导流管对阻力损失的影响。

4.2 导流管旁支扩张式消声器传递损失的影响

四种旁支型扩张式消声器的传递损失对比，如图7所示。

图7 导流管旁支扩张式消声器传递损失Fig.7 Transmission Loss of the Expansion Muffler Adjacent to the Draft Tube

从图7中可以看出，添加导流管后在（0~750）Hz的频率内，b、c、d结构的传递损失有所增加。在（0~1000）Hz频段内a、b、c、d的平均传递损失为：20.85dB、25.23dB、25.15dB、27.44dB。全频段内a、b、c、d的平均传递损失分别为：24.49dB、18.47dB、18.58dB、23.45dB。可见b、c结构添加导流管后传递损失明显降低。d结构添加了出口内插管后传递损失与典型偏置式a仅相差1.04dB，结合3.2的分析可得：添加导流管的抗性消声器出口内插管是影响传递损失的主要因素。

5 导流管反流扩张式消声器性能分析

5.1 导流管反流扩张式消声器结构及阻力损失

反流扩张式消声器结构如图，如图8所示。图8（a）为典型的反流式消声器，图8（b）较图8（a）在结构上添加导流管，图8（c）较图8（b）在结构上将进气导流管向上提高18mm；图8（d）较图8（c）在结构上将进气与出气导流管整体向上提高了62mm。

图8 导流管返流式扩张式消声器结构Fig.8 Structure of Draft Tube Backflow Expansion Muffler

阻力损失曲线，如图9所示。对比a、b曲线得b的阻力损失大于a，这是由于添加导流管后改变了气体流动方向但气体仍有向下流动的趋势所以大部分气体并没有沿着水平方向流入出口管，速度云图，如图10所示。

图9 导流管返流式阻力损失Fig.9 Resistance Loss of Draft Tube Return Muffler

图10 b结构气流速度云图Fig.10 b Structure Airflow Velocity Cloud Map

所以在图c、d上分别将左边进口管向上移动18mm即导流管直径的一半，这样保证了气体束流出进口管后直接流入出口管。

由图9 可以看出，在70m/s 时c（3995.73Pa）较a（5553.69Pa）阻力损失降低了1558.26Pa。d较c在结构上进出口管整体向上平移了62mm，但阻力损失几乎没有变化，由此可得气体冲击壁面是导致阻力损失降低的主要因素。

5.2 导流管反流扩张式消声器传递损失分析

4种结构的传递损失，如图11所示。

图11 导流管返流式消声器传递损失Fig.11 Transmission Loss of the Draft Tube Backflow Muffler

在图11中，b、c、d在（0~1000）Hz内传递损失明显提升。a、b、c、d在（0~1000）Hz 内的平均传递损失为：19.48dB、24.25dB、25.31dB、27.13dB。a、b、c、d全频段的平均传递损失分别为14.08dB、19.53dB、20.32dB、18.35dB。

可见添加导流管后所有的消声量都比典型反流式消声器式有所提高，b、c对比可得：导流管偏置会增大传递损失，c、d对比可得导流管伸入反流式腔体下半部分有助于提高传递损失。

6 多腔体扩张式消声器优化实例

6.1 导流管多腔体扩张式消声器结构及阻力损失

某机械排气抗性消声器原结构，如图12（a）所示。其入口流速为55m/s，实际使用中排气背压较大，对内燃机功率损失较大。

现对其结构进行改进，如图12（b）所示。在每个腔体入口处添加导流管，在右端出口处添加内插管。

图12 多腔体扩张式消声器Fig.12 Multi−Cavity Expansion Muffler

优化前后的阻力损失变化，如表2 所示。速度云图，如图13、图14所示。

表2 阻力损失Tab.2 Pressure Loss

图13 优化前气流速度云图Fig.13 Airflow Velocity Map Before Optimization

图14 优化后气流速度云图Fig.14 Airflow Velocity Map After Optimization

由速度云图可以看出：当气体在腔体中扩散，高速气流会直接冲击消声器壁面。气体在弯管中流动时在出口处会有一定的惯性，所以需要调节导流管中心线的位置，在工程中可以根据实际气流速度进行调节。

6.2 导流管多腔体扩张式消声器传递损失分析

原结构与优化后的传递损失对比，如图15所示。

在图15中，原消声器优化后在（0~700）Hz频段内传递损失明显有所提升。（0~1000）Hz频段内优化前后的平均消声量分别为66.19dB、76.11dB，符合前述单腔体扩张式消声器的分析。全频段内的平均消声量分别为74.66dB、67.29dB，较原结构下降9.8%，但也符合单腔扩张式消声器的分析。

图15 多腔体扩张式消声器传递损失Fig.15 Transmission Loss of Multi−Cavity Expansion Muffler

7 结语

（1）提出了几种不同添加导流管结构的方式，添加进气导流管后抗性消声器阻力损失会极大的减小；在70m/s时，偏置扩张式较典型式最大减小了74%，旁支扩张式较典型式最大减小了64%，反流扩张式较典型式最大减小了34%。

（2）进气导流管增加中低频段的传递损失，在（0~1000）Hz内的平均传递损失，偏置扩张式较典型式最大增加了52.1%、旁支扩张式最大增加了31.6%、反流扩张式最大增加了39.3%。

（3）对多腔体消声器进行添加导流管和内插管的组合优化后，阻力损失较原结构减小了52%，传递损失在中低频内增加了15%，优化效果显著，消声器使用性能得到提高。

在实际工程使用中，可以根据消声器的不同类型添加导流管，主要原则是避免流体冲击壁面的现象发生，减少流体在腔体中扩散。