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发电机组排气消声器仿真分析与改进设计

2020-08-07
来源: 礼德动力

声学性能和空气动力性能是柴油发电机组排气消声器最重要的两项技术指标。声学性能是指在给定的频率范围内消声器对排气噪声的衰减程度,通常要求在较宽的频率范围内具有足够的消声量。空气动力性能反映了消声器对气体流动阻力的影响,阻力过大将造成排气背压升高,从而降低发电机组的输出功率,增高比油耗。优化设计的消声器要求具有较高的消声量和尽量低的阻力损失,两项指标既相互联系又相互制约[1-2]

本文针对某小型柴油发电机组原厂配置的排气消声器(下文简称“原消声器”)性能不佳的问题,改进设计了一套多腔阻抗复合型消声器(下文简称“改进消声器”)。并使用声学有限元(FEM)软件Virtual.Lab和计算流体力学(CFD)软件FLUENT对传递损失和阻力损失进行计算[1-2],对改进前后的性能进行预测对比,并通过配机试验进行验证分析。

1 排气消声器结构

由于柴油机排气噪声以中低频为主,原消声器结构采用三腔纯抗性结构,进、出口从消声器同一端面进出。改进消声器采用阻抗复合两腔结构,消声器内所使用的吸声材料为岩棉,进口设置在消声器端面,出口设置在消声器侧面。具体结构如图1所示。两个消声器的主体尺寸和接口尺寸相同,接口位置略有差异。改进消声器针对柴油机低频噪声突出,优化了膨胀腔和插管尺寸,同时增加了阻性段,结构上略有所简化,更易于制造加工,并且有利于降低消声器的阻力损失,有利于降低中高频段的排气噪声。

图1 消声器结构示意图

2 声学计算方法

采用传递损失作为消声器的声学评价指标。传递损失与消声器本体结构有关,不受源特性和尾管辐射特性的影响。当进出口满足平面波条件时,传递损失的计算公式为[5]

其中:pi 和pt 分别为消声器进口处的入射声压和出口处的投射声压,假设消声器进口处的声压和指点振速分别为p1vi,出口处的声压为p2,且为无反射端,则传递损失可表示为

式中:ρ为空气密度,c为声速。由上式可知,当进口处声压或质点振速给定时,利用有限元法求出消声器进出口的声压值,即可计算出消声器的传递损失。本文通过商用声学有限元软件Virtual.Lab对消声器进行声学建模及仿真计算[4]。计算模型如图2所示。

3 阻力损失计算方法

本文通过计算流体力学(CFD)软件FLUENT对消声器进行流场建模及仿真计算[5]。计算区域包括消声器内部的整个空间区域及进出口管道,由于计算区域的复杂性,采用非结构网格对三维模型进行处理。为提高计算结果的准确性,在管道及管道变截面突变处进行加密处理,计算模型如图3所示。

计算时,求解三维定常RANS方程,湍流模型采用Realizablek-ε模型,取标准壁面函数,由于消声器内部流动马赫数很低,认为气体不可压缩且黏性系数为常数;离散方程采用隐式分离方法求解,压力修正采用SIMPLE算法;对流项采用2阶迎风格式离散,扩散源项采用2 阶中心格式离散;计算介质为20°C 常压空气,给定入口速度边界条件,给定消声器出口压力边界为标准大气压;壁面绝热且无滑移。

图2 消声器声学计算网格模型

图3 消声器流场计算网格模型

4 计算结果及分析

4.1 声学效果对比分析

图4为消声器的传递损失的仿真结果对比,从图中可以看出,原消声器也具有较宽的消声频带,但在低频段区域相对较低,并受周期性通过频率的影响,传递损失出现拱形衰减和共振峰叠加曲线,在100 Hz~200 Hz 频段只有5 dB~13 dB 的。但改进后的消声器,由于膨胀腔和插管结构的改进,插入损失在全频段均有所提高,基本消除了通过频率的影响,在100 Hz~200 Hz 频段的传递损失达到8 dB~20 dB,显著提高了低频消声效果;由于阻性段的增加,中高频段的消声效果均有10 dB以上的提高。

4.2 阻力损失对比分析

图4 消声器传递损失对比曲线

阻力损失主要由两方面原因形成:一是由管道壁面摩擦产生的沿程阻力损失;二是由插管与膨胀腔间的截面突变引起的流动冲击和涡流而产生的局部阻力损失。局部阻力损失是消声器阻力损失的主要原因。

图5为常温不同工况下的阻力损失曲线,消声器的阻力损失随着流速的增加而增大,与速度的平方近似成正比关系,在设计工况下,改进消声器阻力损失降低了约53%。另外,图5还给出了改进消声器在常温条件下的阻力测试结果,可以看到,试验工况下的阻力损失与仿真结果差别较小,反向验证了数值计算结果的可靠性,条件所限,无法对原消声器进行试验研究。

图5 不同工况下的阻力损失曲线

图6为设计工况下消声器中心截面的压力分布对比,消声器内的压力分布因膨胀腔的分隔明显分为几个区域,由入口到出口呈阶梯状降低。改进消声器由于膨胀腔数量少,因突扩、突缩引起的局部阻力损失明显低于原消声器。

5 试验结果对比分析

设计工况下,排气噪声对比如图7所示。从频谱对比可以看出:低频噪声对柴油机排气噪声总值贡献度最大。

图6 设计工况下下消声器中心截面的压力分布对比

改进消声器的共振频率能够与排气噪声的峰值频率较好地吻合,使50 Hz~200 Hz频段内的3个噪声峰值都有不同程度的降低,约6 dB~10 dB,与计算结果吻合较好。而在500 Hz 以上的中高频段降了约2 dB~5 dB,与计算值相差较大,这主要是由于高流速下的气流再生噪声较高,影响了消声器的消声效果。通过改进,柴油机排气噪声总值由原来的71.7 dB(A)降低到65.9 dB(A)。

图7 改进前后的排气噪声对比

由于配机状态下,排气温度太高,暂无条件准确测量配机状态下的实际阻力损失值。因排气消声器的阻力损失直接关系柴油机的排气背压,而排气背压的变化会影响柴油机一些外特性参数的变化。因此,本文通过观测柴油机冷却水温间接定性对比两消声器的阻力损失大小(相同环境条件下)。

表1 改进前后水温对比/℃

从冷却水温对比来看,发电机组在安装改进消声器时,水温略有降低,表明发电机组排气背压有所降低,改进消声器的阻力损失略小于原消声器的阻力损失。

6 结语

本文根据某柴油发电机组原始的排气消声器改进设计了一套阻抗复合消声器。通过仿真计算和配机试验验证改进效果。结果表明:

(1)针对排气消声器的FEM 和CFD 仿真计算能够较准确地预测改进效果,声学特性和空气动力特性的仿真结果与配机试验结果吻合良好。

(2)消声器内部结构的改进,不但简化了结构,易于加工制造,还显著改善了发电机组排气噪声和排气背压。