消声器设计及内部流场数值研究

(蚌埠市地方海事局 安徽 蚌埠 233000)

消声器设计及内部流场数值研究

刘志俊

(蚌埠市地方海事局安徽蚌埠233000)

本文主要论述了消声器基础理论及结构设计依据并以此未基础进行模型构建，希望对相关相关理论提供一定的理论参考。

柴油机发电机组；声器设计；消内部流场数值

一、前言

对本文选定某型号柴油机发电机组的排气消声器，利用Gambit建模软件对其进行了模型建模，然后使用流体仿真软件对该模型进行三维仿真计算，得出了该消声器内部的速度矢量场、压力场、流线图等，根据仿真结果，对消声器内部各流场分布情况进行分析和总结，并提出了局部优化改进建议。

二、消声器基础理论

(一)内燃机排气噪声的产生的机理

内燃机排气过程可分为自由(或称超临界)排气阶段和强制排气阶段。柴油机全负荷工作时，排气开始时气缸内燃气温度高达800—1000摄氏度，气缸压力Pn约为(3—4)x10e5Pa。由于这时气缸内的压力为排气管内压力的两倍以上，排气为超临界流动，这时通过排气门的气体速度等于燃气中的声速。自由排气阶段，虽然占整个排气时间的百分比不大，但气体流速很高，排出废气量可达60%以上。废气从排气门以高速冲出，沿着排气管进入消声器，最后从尾管排入大气，在这一过程中，产生了宽频带的排气噪声[1]。

(二)排气噪声控制的基本理论

控制内燃机所产生的噪声应立足于不产生噪声和降低声源的强度，可以从以下两个方面来控制噪声:一种方法是从减少噪声源来考虑，根据噪声产生的机理来采取相应的措施。这种方法是最彻底的，而且其潜力也是很大的。

三、消声器结构设计依据及模型

(一)设计依据

该柴油机发电机组的基本参数如下：

缸数：τ=6

功率：P=94.4kw

废气温度：T=823K

柴油机的排气噪声主要包括以下三个方面的噪声：

1.基频噪声

2.管道内气柱共振噪声

当n=2时，f=287Hz

当n=3时，f=4790Hz

3.亥姆兹共振噪声

下面所设计的消声器主要用来消除柴油机的基频噪声以及2-3倍的基频噪声[2-3]。

(1)消声器的总容积Vm由容积比确定

所以相应的排气管直径d⊂(93,130)mm

取d=110mm。

(3)扩张室直径D的确定

由消声量确定扩张比m=16，所以：

(4)消声器的总长

知道消声器的总体积和扩张室直径后可以计算出消声器的总长度L：

纵横比：

纵横比满足设计要求。

(5)消声器各腔的长度

消声器总长确定后，就要确定各级的长度，可以看出sin2(Kili)=1时，TL最大，所以

L2=L-L1=1.35m

(6)为了消除通过频率，在消声器各扩张室的入口和出口端接入内插管，分别用以消除波长的奇数倍的通过频率和偶数倍的通过频率。

(7)消声频率范围

(8)用以消除高频噪声的阻性吸声材料

表1超细玻璃棉的相关参数

(二)数值模型

利用Gambit件结合消声器的以上结构参数进行建模，排气消声器尺寸大、结构复杂，为使网格划分合理，既能反映小尺度部件，又控制网格数量，还具有良好的边界拟合特性，采用非结构化不均匀四面体网格划分方案。计算域网格尺度从几毫米到几十毫米不等，总网格单元数约为104857个，最终模型结构见图1。

图1 消声器整体及局部网格示意图

四、数值模拟结果分析

图2 消声器内部轴向截面流线图

图2为消声器的内部流线图，进口段的流线平行均匀，流体绕过弯道进入第一腔廓张室后，其中有涡流产生，但涡流部分流速较低，由此产生的再生噪声较小。消声器的消声效果较好，进出口测点处的频谱图如下图所示：

图3 消声器入口测点处的声压级-频率及声压级-1/3倍频程频谱图

图4 消声器出口测点处的声压级-频率及声压级-1/3倍频程频谱图

将上面的倍频程声压级按式(1)计算得到消声器入口处的总声压级为109dB，消声器出口处的总声压级为94dB，整和吸声材料消除的高频噪声大约10dB，该消声器大约能消掉噪声24dB。

LP总=10lg[(100.1Lp1+100.1LP2+…+100.1LPn)]

(1)

五、结论

所设计的原型排气消声器是一个典型的抗型排气消声器，单凭经验公式计算出来的消声量只能做为近似预估总体参数，很难考察它的内部声场，因此利用数值模拟方法进行了数值分析和降噪性能验证，通过对消声器内速度矢量场、压力场和湍动能流场的分析，指出了流场在消声腔里噪声再生的原因。

[1]马大猷.噪声与振动控制工程手册.机械工业出版社，2007.1

[2]黎志勤.汽车排气系统噪声与消声器设计.中国环境科学出版社，1991.2

[3]张林.柴油机排气消声器的设计选型.起重运输机械，2001

刘志俊，职称中级,主要研究船舶检验。