插入管结构要素对消声器性能的影响研究
2023-03-01曹胡泉曾东建王鹏尹川陈春云吕高全
曹胡泉，曾东建，王鹏，尹川，陈春云，吕高全
(1.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川成都 610039；2.绵阳新晨动力机械有限公司，四川绵阳 621000)
0 前言
针对插入管、穿孔管长度、穿孔率等基本结构单元对消声器压阻性能和消声性能的影响，国内外学者做了大量研究。居晓华[1]利用仿真软件Virtual Lab和试验相结合的方法对某排气消声器进行研究，在扩张室截面不变的情况下，扩张比越大，则传递损失越有增大的趋势。骆滢升[2]采用GT软件对柴油发电机消声器仿真计算，研究表明：1/4波长管与主管的交汇口间距离越小，传递损失越大。FAN和JI[3]基于传递矩阵法的一维分析方法预测和分析了具有穿孔入口管和出口管的三通消声器的衰减特性，随着穿孔面积的增加，端腔产生的共振向更高频率移动。孙苏民[4]利用仿真软件LMS Virtual计算穿孔率对消声器传递损失的影响，在0～1 400 Hz的频率范围内，随着穿孔率(3.8%～35.8%)的增加，消声器传递损失减小。FU等[5]研究了结构参数对消声器传递损失的影响，消声器结构参数的变化对传递损失的影响在低频变化不大，而在高频影响较大。CHANG等[6]为了改善直线型消声器的声学性能，提出一种使用了更准确的预测模型和优化方法的空间固定的多腔室消声器。ELSAYED等[7]研究了挡板结构对消声器压降的影响，减小板间距有利于提高传递损失。顾倩霞[8]采用GT仿真软件研究了穿孔板孔径对压力损失的影响，随着穿孔孔径(3～10 mm)的增加，压力损失逐渐降低。胡效东[9]利用计算流体动力学(CFD)和试验法研究了膨胀腔对压力损失的影响，随着膨胀腔长度的增大，消声器的压力损失不断增加。张佳祺[10]利用CFD仿真研究消声单元对船舶单腔扩张式消声器压力损失的影响，研究表明：扩张腔消声单元压力损失随着消声器出口管直径的增加而降低。OM ARIARA GUHAN等[11]利用CFD仿真研究了轻量优化对消声器压阻损失的影响，在没有改变穿孔管孔数和隔板位置的情况下，减少消声器的长度会使消声器压力损失增加。BARUA和 CHATTERJEE[12]研究了穿孔对椭圆消声器压阻损失的影响，穿孔减小了消声器压力损失。
通过以上信息可知：一方面，上述文献鲜有在压阻损失等效方面的研究及成果；另一方面，工程中往往由于空间限制，不能对特定参数进行修正，基于压阻损失修正后传递损失是否发生改变，这类问题有研究但也不多见。在一定范围内，基本结构单元直径Db对消声器压力损失有抑制作用，基本结构单元直径Da有促进作用，通过两参数间的耦合作用能够得到压阻损失相同的情况，与此同时传递损失又有差异。此外，考虑到消声器设计过程中的不足，为了研究插入管单元耦合作用对压阻损失的影响，及相同压阻下传递损失的变化情况，建立了一个综合考虑声学性能和空气动力性能的评价体系，对原结构参数进行评价。
1 GT仿真建模及定义概述
1.1 GT仿真建模
GT-Power仿真结果在中低频精度相对三维仿真软件较高[8]，因此利用GT研究发动机排气噪声分析研究十分广泛[13-15]。本文作者以模态试验和噪声传递函数试验为边界条件，建立车用发动机消声器仿真模型，通过仿真和试验结果的对比，表明在允许的范围内该模型具有一定的准确性，采用GT-Power对消声器进行仿真计算，计算了0～1 000 Hz的传递损失，入口流速为60 m/s、温度为800 K下的压阻损失。图1所示为消声器GT仿真计算模型，每次修改三维模型后对消声器进行离散，然后分别导入到传递损失和压阻损失计算模型中。
图1 消声器GT仿真计算模型
1.2 消声器插入管单元变量定义
文中研究的消声器结构变量为插入管单元，如图2所示，图中a为消声器排气入口，消声器排气入口直径为Da；b为消声器两端腔室内的进气管，消声器两端腔室内的进气管直径为Db。红色标识部分为隔板位置，隔板的作用是将消声器分成几个腔室，随着隔板位置的改变，各个腔室的体积也会相对发生改变。隔板位置的改变，相当于是扩张腔长度和进排气管插入膨胀腔内的声学长度发生改变，左侧第一个隔板相对消声器腔室最左端距离为205 mm，如图中标注，则第一个隔板分别向左移动10、20、30 mm，隔板位置就分别为195、185、175 mm，以研究隔板位置对消声器性能的影响。文中通过改变这3个变量，来开展对消声器声学性能和压阻性能的研究。
图2 消声器插入管变量定义
2 半经验公式计算压力损失及消声器性能评价理论
2.1 消声器压力损失试验
在消声器的设计优化过程中，消声器试验是验证理论和判断仿真计算结果准确性的重要手段，同时是研究过程中不可或缺的一部分。空气动力性能主要由功率损失比、阻力系数和压力损失等来评价，作者主要采用压力损失衡量，对消声器压力损失进行试验，如图3所示，根据试验结果和仿真结果对比，控制误差在一定的范围内。
图3 消声器压力损失试验
消声器压力损失试验需要的仪器设备见表1。
表1 消声器压力损失试验主要设备
在消声器中设置相同的边界条件下，对比消声器压力损失试验和仿真结果，如图4所示。可以看出：随着气流流速的增加，压力损失增大，消声器压力试验由于气密性等存在一定误差，但是在整个范围内，试验和仿真平均误差在10%以内，符合工程要求，消声器仿真计算具有一定的可信度。
图4 消声器压力损失仿真和试验结果对比
2.2 消声器压力损失和传递损失评价理论
根据产生机制，消声器的压力损失主要来源于局部阻力和摩擦阻力损失。当气流流经管道截面突变处时，产生的机械能损耗为局部阻力损失。当消声器中的气流经过内壁时，由于摩擦产生的损耗为摩擦阻力损失[16]。消声器的压力损失即为局部阻力损失与摩擦阻力损失之和:局部阻力损失主要是流动状态在急变流中产生的能量损失，摩擦阻力损失主要来源于流体的黏滞力。通常管道中的局部阻力损失(ΔPξ)和摩擦阻力的计算公式(ΔPλ)表示为
(1)
式中:ξ为局部阻力系数；ρ为气体密度；v为气流速度；λ为摩擦阻力系数；L为管道长度；d为消声器管道直径。
而消声器的传递损失表现为通过消声器衰减的声功率，用公式可表示为
δTL=LWi-LWt=10lg(Wi/Wt)
(2)
式中:δTL为传递损失;Wi为入射声功率(消声器进口)；Wt为射声功率(消声器出口)。
2.3 消声器性能评价体系
利用基本消声单元耦合对消声器性能的影响规律，建立一个综合考虑声学和压力损失指标的评价体系，图5所示为建立的综合评价体系。可以看出：横坐标x=a和纵坐标y=c将坐标系分成了4个区域：I、II、III和IV。每个区域代表了不同的性能评价，区域I表示消声器声学性能指标达到c以上，而空气动力性能指标却没有达到a，则该区域表示消声器声学性能表现良好，而空气性能不达标。以此可知，只有当声学性能达到c以上，同时空气动力性能达到指标a以上的区域IV，消声器在声学和空气动力学性能上才表现良好。在区域IV中，图中的点1为临界点，表示刚好声学性能和空气动力性能都达标，点2表示为声学性能和空气动力性能都达到了最优。在如图2中区域IV中的点，距离点2越近，将其声学性能和空气动力性能综合评价为更优。
图5 消声器性能评价体系
为了进一步刻画综合评价声学性能和空气动力性能指标，用Er表示图5消声器性能评价体系中任一点r的综合性能值,则Er的求解定义为
(3)
(4)
(5)
其中:Ls表示点r到最优点2的距离在y轴上的投影距离与lod的比值，在基本结构单元长度耦合图中，yd-yr表示原结构参数组合下的平均传递损失与耦合图中平均传递损失最大值的差值；Lp表示点r到最优点2的距离在x轴上的投影距离与lob的比值，在基本结构单元长度耦合图中，xb-xr表示原结构参数组合下的平均传递损失与耦合图中平均传递损失最大值的差值；xr、yr分别表示点r在消声器性能评价体系的横、纵坐标值；xb、yd分别表示点横纵坐标的最优值。可以发现，Er为点r的消声器综合性能值，其值越小，表明该点处的消声器综合性能越好。
3 仿真结果与分析
3.1 消声器入口管直径耦合对压阻性能的影响
在一定范围内，基本结构单元直径Db对压阻损失有抑制作用，基本结构单元直径Da对压阻损失有促进作用，通过基本结构单元耦合能够得到相同的压阻损失的情况。图6所示隔板位置分别为205、195、185、175 mm的压阻损失分布情况。
图6 不同隔板位置的压阻损失分布
由图6可知：在基本结构单元直径Da范围43～63 mm，基本结构单元Db范围38～58 mm，隔板位置为205、195、185、175 mm时，压阻损失范围分别为710～3 743、870～3 770、860～3 760、880～3 747 Pa。随着隔板位置向外移动，压阻损失变化范围分别为3 033、2 900、2 900、2 867 Pa，呈现出逐渐减小的趋势。基本结构单元直径Da越大，消声器压阻损失越小，而在Da>58 mm时，压阻损失反而会增大。故在图6中可以看到，在Da<58 mm的耦合区域，等效压阻曲线斜率为负，即当基本结构单元直径Da增加和Db减小时，可以得到等效压阻损失,且基本结构单元直径Da越小时，Db对压阻损失的影响程度越小(Db对等效压阻损失的影响程度随着Da的减小而减小)。而当Da>58 mm时，基本结构单元结构Da增加，为得到等效压阻损失，基本结构单元直径Db需要增加。当基本结构单元直径Da=58 mm时，随着Db的增加，等效压阻曲线密度减小，表明基本结构单元直径Db对压阻损失影响程度减小。此外，可以从图中看出，基本结构单元直径耦合对压阻损失的影响趋势可以分成3个范围讨论，如图6(a)中I、II、III所示。基本结构单元直径Da和Db较小的区域III压阻损失较大，而基本结构单元直径较大的区域I压阻损失较小，区域II的等效压阻曲线密度大于区域I。等效压阻曲线密度越大，则等效压阻损失受基本结构单元的影响也就越大。由此表明，在等效压阻损失较小的区域，基本结构单元对等效压阻损失影响更为敏感(Da、Db对等效压阻损失的影响在压阻损失较小的区域变得更为敏感)。
提取特征曲线a(2 110 Pa)、b(1 080 Pa)进一步探索等效压阻损失下的传递损失变化情况，如图7所示，分析在不同的基本结构单元直径耦合下得到相同的压阻损失是否会对传递损失产生影响。可知:在隔板位置为205～175 mm时，等效压阻特征点处的传递损失的变化在中高频影响较大，特征点a的传递损失最大变化范围为11.2 dB(648 Hz)、15.5 dB(679 Hz)、19 dB(850 Hz)和18 dB(668 Hz)，而特征点b的传递损失最大变化范围为10.5 dB(680 Hz)、6 dB(841 Hz)、9 dB(620 Hz)和8 dB(620 Hz)。可以看出，等效压阻损失更大的特征点a的传递损失最大变化范围整体要大于特征点b，且大都在620～850 Hz的中频段。由此表明，等效压阻越大，其传递损失变化范围也越大，在中频段620～850 Hz更为明显(等效压阻损失下的传递损失差异和变化范围，随着等效压阻损失的增加而变大，在中频段620～850 Hz变得尤为明显)。
图7 等效压阻特征点在不同隔板位置下的传递损失情况
3.2 消声器基本结构单元直径耦合的性能评价优化
利用消声器性能评价体系来综合评价原消声器结构单元直径参数组合的合理性，图8所示为原消声器结构单元直径耦合下的压阻损失情况，在图中b表示原消声器基本结构单元直径参数组合的位置。可以看出：在隔板位置为205、195、185、175 mm时，原消声器基本结构单元直径组合下的压阻损失分别为1 400、1 410、1 413、1 429 Pa，同样还有许多可以优化的空间。同时，随着隔板位置的向外移动，压阻损失增加。在耦合图中，更小的压阻损失区域位于高Da高Db区域。图9所示为原消声器结构单元直径耦合下的平均传递损失情况，图中点b为原消声器基本结构单元直径组合点。可以看出：在隔板位置为205、195、185、175 mm时，原消声器基本结构单元直径组合下的平均传递损失分别为19.99、18.75、18.96、18.57 dB，呈现减小后增加再减小的趋势。在图中声学性能更优，平均传递损失更大的区域为Da小Db小的区域。将声学耦合作用图和空气动力学耦合作用图结合起来看，声学更优区域和空气动力学耦合作用图不在同一个区域。因此，依靠这两组耦合图很难判断哪一组参数组合下综合性能更优，此时就需要依靠建立的综合评价体系，来评价其综合性能。
研究基本结构单元直径耦合对消声器性能的影响时发现，空气动力性能较原消声器基本结构单元直径组合a更优的区域在高Da高Db的区域，而声学性能较原消声器基本结构单元直径组合a更优的区域在低Da低Db的区域。因此，为了更容易寻找较点a更优的综合评价性能组合点，就需要在两者交集的区域寻找。图10所示为消声器结构单元直径耦合下的平均传递损失情况，图中阴影区域为声学性能和空气动力性能都优于原消声器基本结构单元直径组合a的区域。为了对比评价，选择了几个不同的点进行评价，分别是m1(Da=58 mm、Db=44.5 mm)、m2(Da=58 mm、Db=53 mm)、m3(Da=48 mm、Db=43 mm)、和m4(Da=50 mm、Db=56 mm)。
图8 原消声器结构单元直径耦合在不同隔板位置下的压阻损失情况
图9 原消声器结构单元直径耦合在不同隔板位置下的平均传递损失情况
图10 消声器结构单元直径耦合在不同隔板位置下的平均传递损失情况
利用建立的综合性能评价体系去描述原消声器结构单元直径耦合下的空气动力性能和声学性能。图11所示为不同隔板位置下的空气动力性能评价指标和声学性能评价指标。
图11 原消声器结构单元直径耦合下性能评价
由图11可以看出:空气动力性能评价指标表现为：m2
图12 消声器结构单元直径耦合下的综合性能评价
4 结论
文中以某一型号发动机消声器为研究对象，利用仿真软件GT-Power研究了多基本结构要素对消声器性能(空气动力性能和声学性能)的影响，并研究了等效压阻下的传递损失(0～1 000 Hz平均传递损失)变化情况和压阻损失的等效分布规律。最后建立了一个综合评价声学性能和空气动力性能的评价体系，对原消声器基本结构要素参数组合进行评价，同时为寻找更优的声学和空气动力综合性能指标提供思路。主要得到以下结论：
(1)等效压阻损失较小的区域，基本结构单元对等效压阻损失影响更为敏感。
(2)等效压阻越大，其传递损失变化范围也越大，在中频段620～850 Hz更为明显。
(3)利用建立的评价体系，对原消声器基本结构要素参数组合进行评价，并能够利用该评价体系找到较原消声器基本结构要素参数组合更优的参数组合区域，使得综合性能更优。
