基于CFD和声学有限元的抗性消声器性能数值研究

摘要

抗性消声器是管道消声中较为常用的消声器。一个抗性消声器的优劣，主要通过其空气动力学性能和声学性能来衡量。通过综合分析抗性消声器的空气动力学性能和声学性能，可提高消声器的设计质量，并为消声器的结构优化提供参考依据。
　　本文主要针对管道消声中常用的抗性消声器，利用计算流体动力学(CFD)方法模拟典型抗性消声器内部流场的压强分布特性，获得不同结构抗性消声器的压力损失，并与半经验公式计算结果进行对比，分析不同结构的扩张室消声器的空气动力学性能的优劣以及半经验公式法的使用条件;另外，利用声学有限元方法对典型结构抗性消声器的传递损失进行计算，得出消声器的传递损失，并定性地分析、验证典型抗性消声器声学性能的优劣。
　　在完成消声器的几何模型的建立工作以后，对其计算区域进行网格划分及网格质量检查，设定初始条件、边界条件和求解方法后可以得到消声器内部流场计算结果。对于声学计算，还要定义流体属性及出口无反射边界条件，声学仿真可求出消声器的声场分布、进出口声压响应以及传递损失。
　　对典型结构抗性消声器的压力损失计算结果表明:抗性消声器的压力损失主要是由局部阻力损失引起的，而局部阻力损失又主要发生在突然缩小的截面附近;对于单节扩张室消声器，CFD数值模拟、经验公式和试验三种方法均可以较准确地确定其压力损失;对于多节串联扩张室消声器、带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器等结构较为复杂的消声器的压力损失，不能简单地利用现有的经验公式来计算;当外形尺寸相同时，穿孔管消声器和带内插管的扩张室消声器较其他消声器具有更好的空气动力学性能。
　　对典型结构抗性消声器的传递损失计算结果表明:单节扩张室消声器存在消声量为0的通过频率的缺陷;带内插管的扩张室消声器不仅解决了普通单节扩张室消声器通过频率的问题，而且将普通单节扩张室消声器的消声性能提高了近一倍;将两节长度相等的扩张室消声器串联后，其传递损失可近似根据两个单节扩张室消声器在同一频率处的传递损失叠加来计算;穿孔管消声器的消声性能更好、更稳定;穿孔管消声器对高频噪声也具有良好的消声效果。
　　本文通过综合对比多种结构的抗性消声器的空气动力学性能和声学性能，得出带内插管的扩张室消声器和穿孔管消声器具有更好的空气动力学性能，在声学性能方面，穿孔管消声器则更有优势。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的与意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要研究工作

2 消声器性能评价指标及消声量计算经验公式

2．1 消声器的性能评价指标

2．2 典型抗性消声器消声量计算经验公式

2．3 本章小结

3 消声器空气动力学性能和声学性能数值模拟方法概述

3．1 计算流体动力学概述

3．2 声学数值模拟计算概述

3．3 本章小结

4 基于CFD数值模拟和经验公式的消声器压力损失计算

4．1 单节扩张室消声器压力损失数值模拟

4．2 双节串联扩张室消声器压力损失数值模拟

4．3 带内插管的扩张室消声器压力损失数值模拟

4．4 穿孔管消声器压力损失数值模拟

4．5 本章小结

5 基于声学有限元法的消声器传递损失数值模拟

5．1 单节扩张室消声器传递损失数值模拟

5．2 双节串联扩张室消声器传递损失数值模拟

5．3 带内插管的扩张室消声器传递损失数值模拟

5．4 穿孔管消声器传递损失数值模拟

5．5 本章小结

6 总结

6．1 全文总结

6．2 本文不足及未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间从事科学研究及发表论文情况