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.pdf

59S t a n d a r d T e c h n o lo g y/标 准技术消音器用途广泛，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；摘要：消音器应用广泛，机理和运行复杂多样，通过试验获得消音器的降噪性能花费巨大。为了快捷方便地获得消音器的降噪效果，文章提出了利用仿真方法进行降噪分析的可行性。针对某节流喷注式消音器进行研究，采用 CFD 软件和声学软件对消声器的降噪性能进行了仿真预测。通过对比同等条件的试验结果，得出了仿真分析手段可以很好地用于预测消音器降噪性能的结论，对消音器的正确使用提供指导。关键词：消音器；降噪；试验；仿真刘春丽1，王广基2，郑西华3利用仿真方法分析节流喷注式消音器噪声的可行性研究（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）60标 准技术/Standa rd Tec hnol ogyWi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-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 56104，体网格数量为 1 010104。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 1500Hz 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测点测试（dBA）仿真（dBA）误差（%）165.965.740.24267.365.692.45366.165.680.6447065.666.61571.765.639.25669.865.706.24767.365.782.31872.175.53-4.54973.575.47-2.611076.475.461.251176.775.451.66127375.43-3.221372.375.49-4.231478.975.574.41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。（下转第 63 页）63S t a n d a r d T e c h n o lo g y/标 准技术（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。作者简介：刘春丽（1982-），女，籍贯：山东东营，学历：硕士研究生，职称：高级工程师，研究方向：核工艺系统与布置方面研究。参考文献：1 马大猷.噪声与振动控制工程手册 M.北京:机械工业出版社,2002.2 马大猷编.噪声控制学 M.北京:科学出版社,1987.3 张重超,杨玉致,朱梦周.机电设备噪声控制工程学 M.北京:轻工业出版社,1989.4 金枝叶.电站锅炉排气噪声控制装置的结构设计及仿真研究 D.杭州:浙江大学,2018.5 冯汉队,时维方.矿用自卸车排气消声器性能仿真分析及优化 J.露天采矿技术,2019,36(6):10-13.6白伟,吕大立.消声器传递损失计算方法研究J.小型内燃机与车辆技术,2017,46(4):72-76.7 吴永辉,姚同林.基于 Virtual.Lab 抗式消音器声学特性的仿真研究 J.化工设备与管道,2020,59(2):51-54.8 朱耿寅,赵晓云,金轲,等.工程机械降噪研究及新型迷宫腔消声器的设计与仿真分析 J.机械制造,2019,57(4):36-38.（上接第 60 页）所以确定效益指标时不能采取内部收益率而是采取年值，同时不计算临界点。初始投资的变化敏感性要超过电价变化的敏感性，所以要采取针对性措施来控制建筑初期的成本，最大程度减小初期投资。由于该建筑规模相对较小，所以项目初始投入产生的变化相对较小，投资较为稳定。但是对于电价来说，并不是企业可以控制的，同时各个方案的经营费用都是电费，并且方案三的电费最低，所以总体来说方案三为最优方案。第二，热水系统热源方案敏感性分析。针对选定的方案三选取初始投资、年经营费用作为敏感因子实施敏感性分析，由于此建筑并不具备能够计算的产出，所以确定效益指标时不能采取内部收益率而是采取年值。初始投资的变化敏感性要超过电价变化的敏感性，所以要采取针对性措施来控制建筑初期的成本，最大程度减小初期投资。由于该建筑规模相对较小，所以项目初始投入产生的变化相对较小，投资较为稳定。2.2.3 项目经济后评价（1）空调系统。技术评价。此建筑采用的空调系统属于基于溶液除湿新风机组的温湿度独立控制系统，专业企业对其进行施工建设，该系统从 2018年 10 月投入运营之后所收集到的具体数据情况，此建筑实际年耗电量要对于设计标准 1.2%，虽然效果较好，但是在春秋等冷负荷需求较小的时节，实际运行电耗处于设计电耗的 60%以下，而在夏季等冷负荷需求较大的时节，实际运行电耗要明显超出设计电耗（11%14%）。投资和投资控制评价。通用型设备的购置费用要低于概算价格，其中较为特殊的是溶液式新风机组价格稍高，主要原因在于此为独家供应产品，采购价稍高。同时在管路方面价格也较高，根本原因在于施工过程中出现了变更。后评价。空调系统满足设计标准，耗电量低于设计值 1.2%，实际投入超出概算 6.4%。由于初始投资超出概算，造成整体经济效益不及预期。（2）热水系统。技术评价。此系统主要采取“太阳能集热器+空气源热泵辅助加热”的方式，此部分年耗电量要超出设计值 12.9%，没有达到技术指标要求。投资和投资控制评价。此部分设计概算 29.9 万元，决算为 28.7 万元，造价下降 4%。其根本原因在于技术相对成熟，可以进行性价比选择。后评价。热水系统电耗要超出设计标准 12.9%；实际投资则低于概算 4%，经济效益和设计相匹配，主要原因在于初始投资有所下降。3 结束语通过对绿色建筑技术方案经济性比选评价，能够得到最为合适的技术方案，在确保技术条件的基础上能够降低成本投入，获取更大经济效益，更有利于推动绿色建筑的发展。作者简介：郭保平（1982-），男，籍贯：甘肃环县，学历：本科，职称：咨询工程师、经济师，研究方向：项目可行性研究报告评审、社会稳定性风险评估、节能评估、项目后评价等。参考文献：1 蒋晨茜,罗艺恒.绿色建筑发展与经济效益评价分析 J.质量与市场,2022(06):42-43.2 谢婉君,李晓娟.基于全寿命周期的绿色建筑节能技术经济评价研究 J.上海节能,2021(08):77-80.3 张贤尧.绿色建筑技术体系模块化构建与评价研究 D.武汉:武汉理工大学,2012.