多孔侧壁耦合亥姆霍兹共振器对吸声性能影响的数值仿真.pdf
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1、第45卷第18 期2023年9月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.18Sep.,2023多孔侧壁耦合亥姆霍兹共振器对吸声性能影响的数值仿真潘伟宸12,刘传艺1-2,沈勇12,严兴春,王希坤1.3(1.中船澄西扬州船舶有限公司,江苏扬州2 2 52 0 0;2.中船澄西船舶修造有限公司,江苏无锡2 14433;3.江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江2 12 0 13)摘要:为了抑制船舶柴油机的进排气以及空调通风管路内的噪声,亥姆霍兹共振器通常被用作消声器来耗散声波。声学数值模型基于有限元方法,运用COMSOL5.3软件,对平行耦合型亥姆霍兹
2、共振器在频域内建立模型,求解线性化的Navier-Stokes方程。通过仿真分析共振器侧壁穿孔率、孔的数量以及来流马赫数的变化对共振频率、传递损失以及吸声性能的影响。结果表明:穿孔率由2 5%增至50%时,能够拓宽消声频带和提高吸声性能;在固定穿孔率情况下,侧壁孔数的增加有益于提升共振器的吸声性能,特别是高来流马赫数工况(Ma0.07)比较明显。此外随着来流马赫数的增加,由于2 个平行耦合的共振腔之间的共振作用,使得模型能产生3个及以上的共振频率。关键词:亥姆霍兹共振器;传递损失;吸声性能;气动声学中图分类号:TK05;T B535+.3文章编号:16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)1
3、8-0 10 9-0 6Numerical simulation of the effects of coupled Helmholtz resonators with a multiplePAN Wei-chen2,LIU Chuan-yil2,SHEN Yong,YAN Xing-chun,WANG Xi-kun3(1.Chengxi Yangzhou Shipping Co.Ltd.,Yangzhou 225200,China;2.Chengxi Shipyard Co.Ltd.,Wuxi 214433,China;3.Fluid Machinery Engineering Techno
4、logy Research Center,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)Abstract:In order to suppress the noise in the intake and exhaust of the diesel engine and in the air-conditioning ventil-ation pipeline on the ship,Helmholtz resonators are commonly used as mufflers to dissipate acoustic waves.It studie
5、s theparallel-coupled Helmholtz resonator commonly used in engineering.Based on the finite element method,an acoustic numer-ical model was established in the frequency-domain by using COMSOL5.3 software,which solves the linearized Navier-Stokes equations.The simulation analyzed the effects of the re
6、sonator in terms of the number of holes,perforation ratio andinflow Mach number on the resonance frequency,transmission loss,and sound absorption performance.It is shown that asthe perforation rate is increased from 25%to 50%,it can widen the noise reduction frequency band and improve the soundabsor
7、ption performance.In the case of a fixed perforation ratio,an increase in the number of sidewall holes is beneficial toimprove the sound absorption performance of the resonator,especially in the case of high Mach numbers(Ma0.07).In ad-dition,the model can have three or more resonant frequencies due
8、to the resonance effect between two parallel coupled res-onantcavities.Key words:helmholtz resonator;transmission loss;sound absorption performance;aeroacoustics0引言船舶噪声的主要来源是柴油机和发电机。此外,收稿日期:2 0 2 2-0 9-30作者简介:潘伟宸(1995-),男,硕士,助理工程师,研究方向为振动噪声与控制。文献标识码:Adoi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.18.018perforate
9、d sidewall on sound absorption performance辅助发动机、泵、涡轮增压器、压缩机、风扇、管道、供暖和空调通风系统都会产生噪声,螺旋桨、推进器和排气系统也会产生噪声,所以为保证在船上工110作时有个相对安静的环境,通过消声器来减少噪声是主要措施之一。消声器I-4的类型很多,其中亥姆霍兹共振器由于其紧凑的配置和较低的维护要求而被广泛应用在船舶柴油机的进排气以及空调通风管路内。但是,它仅在狭窄和特定的频率范围内有效,并且不能响应操作条件的变化。因此,国内,许多学者都对亥姆霍兹共振器进行了研究5-8 ,促进共振器的不断优化。而安装共振器有空间的限制,为提高吸声性能
10、,可以利用多个亥姆霍兹共振器组合的形式9-10,以便每个共振器可以抑制单个窄频带宽噪声。国外方面,Griffin等1对于耦合亥姆霍兹共振器的声衰减特性开展了具体研究。Tangl121采用简化物理模型来分析亥姆霍兹共振器传递损失,并建立了一套非线性方程,结合一维平面波理论模型对颈部和腔体内的声压进行了数值计算。Dan等13 针对共振腔的非共振频率,研究柔性膜运动对传递损失峰产生的影响。Yu等14 针对一种新型耦合共振腔的声学性能展开研究。Matthew等15 从并联共振器的阻抗性能方面出发,结合不同孔型来分析其传递损失。本文结合穿孔管消声器的声学特性16 ,对2 个平行放置并且共用一个刚性多孔内
11、壁的亥姆霍兹共振腔,按照前后摆放的顺序连接到进气主管道中,然后对人射平面波产生的效果进行分析。在文献17 研究基础上,运用仿真软件先验证其可行性,然后在4种不同来流马赫数下,研究双腔共享侧壁孔数量、穿孔率以及孔型的变化对吸声性能的影响。1模型控制方程、尺寸及网格以及验证1.1模型控制方程本文模型如图1所示。综合确定本次研究的影响因素即模拟参数选定为穿孔率、侧壁孔数、孔型和来流马赫数4种,具体参数为:1)侧壁开孔数3种:四孔、六孔以及八孔;2)穿孔率(S,/S,)4种:S/S,=0,25%,50%和10 0%,其中S,和S,为所有小孔面的面积之和以及共振腔的侧面面积;3)来流马赫数(Ma)4种:
12、Ma=0,0.03,0.07和0.1。本文模型所对应的共振器几何参数如表1所示。对不可压缩粘性空气流动的线性化纳维斯托克斯方程进行求解。空气在管内流动的三大控制方程,主要是动量守恒方程、质量守恒方程以及能量守恒方程。1)动量方程(pui)ot舰船科学技术DnMa-PiL(a)共振器模型截面图OO图1多孔侧壁耦合的亥姆霍共振器模型图Fig.1 Model diagram of the coupled Helmholtz resonators with amultiple perforated sidewall表1耦合型亥姆霍兹共振器的几何参数Tab.1Geometric dimensions o
13、f the coupled Helmholtz resonators参数数值参数L./m0.464LV/m0.208Lw/m0.513D/m0.136D/m0.05式中,左侧表示单位体积空气的动量变化率,右侧2项分别表示单位体积空气上的表面力和质量力。而通常把应力和应变率,或应力张量与应变张量之间的函数关系称为本构方程,即oij=-poij-uojsk+2sijo将式(1)代人到本构方程中得到纳维斯托克斯方程:DujP_2(u kDt0 xj30 x,0 xk2)质量守恒方程空气在管道内流动过程中质量是不生不灭的,有(ouk)=0。(3)txk式中,左侧第1项为密度随时间的变化率,第2 项表示
14、通过界面流出微元的质量,即净流出单位控制体的流体质量流量。3)能量守恒方程deP%+p(u.V)e=-pV-u+V.(kVT)+8.ooii+pfj式中,左侧表示单位体积空气的内能变化率,右侧各(1)xixi第45卷D,VAD,LD,ADaPtLL8%(b)3种侧壁孔示意图数值L./m0.08 mD,/m0.074 mVm/m0.00068Vz/m0.00113Ma00.1xi项分别表示空气体积变化时外部压力所作的压缩功功V参数po/kgmPo/Pa崇/HzTo/KD/m2(uiQujOxjxi(4)数值1.21013251506002970.002(2)第45卷率,传热功率以及流体变形时粘性
15、应力的做功功率。即流体粒子的能量增长率等于传递给流体粒子的净热量和作用在流体粒子上的净功之和。为耗散函数,=Ti,0 x。兰。在直角坐标系中,=(Ouk120 xkduiduj2(axj+xi)在以上3大方程以及p=p(o,T),e=e(o,T),其中p为压力;p为密度;T为温度;速度为u;为动力粘度;Tij为粘滞应力张量。考虑到本文模型中平均流量,采用k-E湍流模型,该模型能结合自尺度的壁面函数方法,在近壁面网格足够密的情况下,其计算结果的稳定性和精确性是可信的。涡粘性系数vt由紊动能k和紊动能耗散率E所确定,公式为:(5)Vt=潘伟宸,等:多孔侧壁耦合亥姆霍兹共振器对吸声性能影响的数值仿真
16、且入=-%u。2人2.111(a)流场模型(网格数目N=1428519)(b)声场模型(网格数目N=42420)图2 共振器的非结构网格的二维模型图Fig.2 2D model of the unstructured mesh of theHelmholtz resonator式中:Cu为模型系数,通常取0.0 9;k和s由各自的输运方程确定,分别为numbers(a)网格数目 N=960 641okk+uixixiCk8+Vxi+P-8,k2+Ce18+uiCxixiuiukui.式中:P=VtCk=0.09 0.11;Cs=0 xk0 xi0 xk0.07 0.09;Cs1=1.41 1.
17、45;Cs2=1.91 1.92。1.2几何尺寸及网格由于在数值计算过程中需将CFD解从CFD网格映射到声学网格,本模型的声学模型和CFD模型分别在2个计算网格中进行求解。2 个共振腔附近区域的二维模型非结构网格如图2 所示。通过数值模拟结果同文献17 中实验数据进行对比,验证网格的正确性。通过比较不同的网格数进行网格独立性研究,图3为在管道内靠近颈部附近的局部网格示意图,2 种网格数计算结果都能收敛,但图3(b)中显示了网格更密集,利于提高计算精度。基于数值结果与文献17 中实验数据的比较发现,后者确实与实验结果的曲线更契合,所以筛选出的网格数是142 8 519万个。声波进人方体管道,入射
18、场声压设为1Pa,温度设为2 97 K,气压为1.0 110 5Pa,管道壁面是绝热的,同时也设置了防滑条件,平面声波从上游传入系统下游,作为背景声场特征添加到一个前后侧各一个完美(b)网格数目N=1428519k2ok+0 xi8图32 种不同网格数下管内局部示意图(6)Fig.3 Local schematic diagrams in duct under two different grid匹配层(PML)的较小域。其中完美匹配层的作用是kk(7)尽可能吸收到入射的波能量,所以根据人射和透射声压振幅来表示平行耦合的亥姆霍兹共振器传递损失为:TL=20log10式中:pi(w)为人射声压振
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