利用仿真方法分析节流喷注式消音器噪声的可行性研究

刘春丽，王广基，郑西华

（1.上海核工程研究设计院有限公司，上海 200235；2.因博信息（上海）科技有限公司，上海 200235；3.温州市达安仪表设备有限公司，浙江 温州 325000）

消音器用途广泛，在火电、核电、化工、冶炼等行业皆有应用。消音器的降噪机理有多种类型，如阻性消音、抗性消音、扩散消音、微穿孔消音、小孔消音、有源消音等等，一般情况下工业用消音器对降噪要求较高，需要利用几种降噪机理组合来实现较好的降噪效果，由此导致消音器结构较为复杂，仅依靠理论计算不能获得准确的降噪效果，可靠的消音器降噪性能还需要通过试验得到。介质和入口工况不同，消音效果也不同，若对每种工况都进行试验，需要耗费较大的经济成本和时间成本，因此文章利用仿真方法对节流喷注式消音器进行分析，并与试验结果进行对比，探讨利用仿真方法获得节流喷注式消音器降噪性能的可行性。

1 消声器设计

1.1 消声原理

文章研究的对象是节流喷注式消音器， 利用抗性消声、小孔消声等原理，使用多级小孔节流、空间突扩、小孔喷注等过程进行降噪，是市场上常见的消音器类型，具有结构坚固耐用、流阻小、降噪效果明显、加工容易、使用寿命长的优势。

1.2 节流喷注式消音器基本构造

文章分析的节流喷注式消音器外形为一个开口的筒体容器。入口管道与消声器下部法兰连接，进入筒体内部，由立管四周的小孔喷出后，再经套筒四周的小孔喷出，气体向上经一层布满小孔的节流减压板后排入大气。

1.3 节流喷注式消音器运行参数

文章所研究的节流喷注式消音器的主要边界条件如下：

入口流量：119 m3/h

入口压力：0.42 MPaG

环境温度：20 ℃

介质：空气

2 分析计算

2.1 分析流程

文章使用STAR-CCM+软件进行流场分析，使用ACTRAN软件进行声场分析，最终获得节流喷注式消音器降噪结果，与试验结果进行对比。

2.2 理论基础

声振现象是一种涉及三维空间的宏观物理现象，需要借助声速、声压及传播介质密度来研究其传播规律，这三个物理量之间是密切相连的，它们满足物态方程、牛顿第二定律以及质量守恒定律这三个基本物理定律。

对于声压的波动计算，其控制方程如下：

传递损失方程：

式中，c为音速；

Wi和Wt分别为入射和透射的声功率；

Li和Lt分别为入射和透射的声功率级。

该消音器介质为空气，在仿真中，选择空气介质模型进行仿真，流动采用k-ω模型。

消声器的主要性能评价指标主要包括：声学性能（主要为传递损失）、空气动力性能、结构性能。通常情况下，在某个频段下的传递损失值越高，这个消声器在这个频段的消声性能越强。因此，评价消声器声学性能不仅仅要看它的传声损失，也要看声源的频段与传递损失的频段一致性。

2.3 计算结果

2.3.1 流场计算

将节流喷注式消声器几何模型在ANSA软件中进行几何简化，进行布尔操作后得到流体域模型，并根据实际情况建立入口以及出口，构成完成的求解计算区域，在Star-CCM+中生成多面体网格，网格及数量如图1所示。其中面网格数量为56×104，体网格数量为1 010×104。

图1 网格划分

对于该模型的流场计算，采用如下边界条件：

入口压力：0.52 MPa.abs；入口温度：20 ℃；出口压力0.1 MPa.abs。

利用Star-CCM+计算得到的流场结果，从计算结果可以看出，气流进入立管节流结构后，向周向扩散，经过立管与内筒之间的空间扩张，内筒向轴向扩散的气体流速明显降低，从而达到噪声降低的目的。

2.3.2 声场计算

利用Actran计算得到的声场结果见图2。

图2 1 500 Hz频率下消声器声压级云图

从声场分析结果可以看出，该类型节流喷注式消音器产生最高噪音频段低于2 000 Hz。

2.3.3 与试验数据对比

在相对安静的环境中对该节流喷注式消音器进行降噪性能试验，分别在消音器出口平面、距消音器中心1 m处沿轴向设置7个测点。为了测试距离对噪音衰减的影响，在延伸至距消音器中心3 m处再设置7个测点。因消音器对称设计，测点可设置在半个轴向空间内。由此获得消音器降噪试验数据，与仿真分析结果进行对比。

仿真分析结果和试验结果的数据对比如表1。

表1 消音器测点仿真结果与测试数据对比

从仿真分析结果可以看出，由于仿真分析不考虑周围环境噪音、风速等因素，同距离的各测点声压级结果差异较小，仅有大约0.15 dBA的差值；1 m与3 m半径距离处声压级相差10 dBA左右，即距离衰减为10 dBA。

从试验结果来看，考虑试验环境如周围噪声、风速、周围遮挡物等影响，同距离的各测点声压级结果差异有些大，最大达到6.8 dBA；1 m与3 m半径距离处声压级平均差值仅6.4 dBA左右。

对比仿真分析结果和试验结果可以看出，仿真分析结果与试验结果的最大误差9.25%，平均误差仅为1.46%。剔除试验结果受周围环境影响的因素，从趋势上来说仿真分析结果与试验结果吻合度较高。

3 结论和建议

通过对该类型节流喷注式消音器的仿真结果和试验结果进行对比，可以得出如下结论：

（1）利用Star CCM+和Actran进行的仿真分析结果与试验结果吻合度较好，说明利用仿真手段预估此类型消音器的降噪效果是可行的。

（2）利用仿真手段评估消音器降噪性能可以减少试验成本，获得复杂结构消音器相对较准确的降噪效果，应用前景广阔。

（3）文章所讨论仿真分析方法仅适用于低流速、空气介质、节流喷注式消音器，对其他介质、其他型式消音器，因介质属性不同，降噪原理不同，在没有经过试验数据验证的情况，仿真分析手段的应用还需要进行进一步探讨。