介质流速对空调消音器综合性能的影响

0 引言

家用空调器室内机噪音是影响其舒适性的重要因素，传递音是常见的室内机噪音，通常是压缩机噪音通过制冷剂传递到室内侧，影响室内的舒适性[1-3]。在制冷压缩机排气管设置抗性消声器，利用声波反射和干涉原理，是解决传递音问题的有效方法[4-6]。该消音器具有结构简单和易加工成型的特点，由于消声频率窄且压损大，使用场合受到限制。

针对抗性消音器存在的问题，LIU等[7]研究了消音器结构参数对消声性能的影响。季振林[8]研究了穿孔结构对其消声学性能影响，ALLAM等[9]研究了结构参数对消音器综合性能的影响，ZHAO等[10]研究穿孔结构对再生流噪声的影响。

本文基于介质流速影响，从消声性能、再生噪音和压力损失角度，分析了空调用抗性消音器的综合性能。

1 消声性能影响分析

1.1 消音器传递损失计算

传递损失TL又称消声量，定义为消音器入射声功率Wi与透射声功率Wt之比的对数的10倍：

式中，假设消音器的出口是无限均匀管道或消声末端，不存在末端反射[11-13]。根据抗性消音器结构形式不同，分为扩张室消音器、插入管消音器和穿孔管消音器。表1所示为3种消音器的结构参数。

图1 不同类型消音结构

表1 各消音器的结构参数

1.1.1 扩张室消音器

扩张室消音器根据截面突变导致声波反射后相互干涉消声[14]，基本结构是在截面积为S1的管道中接入一段截面积为S2、长度为l的管道组成。消声量计算公式为：

式中，m为扩张比，m=S1/S2；l为扩张室长度，m。扩张比m决定消音器消声量，扩张室长度l决定消声频率。

1.1.2 插入管消音器

插入管消音器是扩张室消音器基础上内接一段截面积为S1的插入管，等效于改变消声器扩张室长度。消声量计算公式为：

式中，m为扩张比，m=S1/S2；l为扩张室长度，m；l2为插入管深度，m。扩张比m决定消音器消声量，扩张室长度l和插入管深度l2决定消声频率。

1.1.3 穿孔管消音器

穿孔管消音器是扩张室消音器和共振消音器组合，共振腔基本消声原理是赫姆霍兹共振器[15]，其共振频率为：

式中，c0为声速，m/s；S为小孔面积，m2；V为共振腔体积，m3；l为小孔的有效高度，m。决定共振频率的主要结构参数为小孔面积S，共振腔体积V，和孔的有效高度l。有效高度修正为l=lk+0.7d，lk为穿孔高度，d为小孔直径。

1.2 消声性能对比分析

通过有限元仿真的方法对比不同消音器结构消声特性，在此基础上研究介质流速消音器消声特性影响。仿真条件为声音在R32制冷剂中传播速度c=220 m/s。

1.2.1 各结构消声特性对比分析

图 2所示为不同结构消音器消声性能对比曲线。由图2可知，扩张室消音器低频（3 kHz以下）出现消声量为零的频率点，不能满足整机通用性要求；穿孔管消音器4 kHz以下，保留了扩张室消音器消声特性，4 kHz以上具有共振消音器的特性，因此不能满足整机低频消声需求。插入管消音器改变了扩张室消音器低频（3 kHz以下）出现消声量为零的频率点的特性，通过改变插入管深度，实现不同消声频段的需求。

1.2.2 介质流速对消声特性影响分析

对于某单转子压缩机，将气体等效为体积不可压缩计算，60 Hz流速约为13.9 m/s，文中研究介质流速小于15 m/s时对消音器性能影响。

图3所示为不同介质流速下消声性能的对比。由图3可知，消音器消声性能受介质流速小于15 m/s时对消声性能影响很小，可忽略不计。

图2 不同消音器结构消声性能对比

图3 不同介质流速下消声性能的对比

2 再生噪音影响分析

2.1 再生噪音产生机理分析

介质流速对消声器消声性能的影响主要是气流在消声器内产生一种附加噪声，即气流再生噪声[16-19]。当气流流过消声器时，将遇到消声器壳内的截面突变、穿孔板和弯头等情况产生涡流以及气流和消声管道表面的摩擦而发出噪声[20]。这种噪声将降低消声器的消声效果，使消声器所表现出来的消声性能大大降低，

严重时使消声器失效，甚至变成噪声发生器。

2.2 再生噪音对比分析

在流体仿真软件中，设定入口介质流速，监测出口声功率，边界条件设置如表2所示。进口边界分别设置为速度0～25 m/s，间隔为5 m/s，出口边界设置为自由流出。为了保证计算结果的准确性，迭代次数设置5,000左右，只要能结果收敛，迭代次数可小于5,000。

表2 再生噪音仿真边界条件

图4所示为通过不同结构消音器速度云图。由图4可知，扩张室消音器进出口距离较大，气流易发散，冲击突变截面后更容易形成涡流；插入管消音器有效减短了进出口间距，降低了涡流的产生；穿孔管消音器等效于将进出口连通，通过小孔进入腔体的流速减小，产生的涡流噪音较低。

图4 入口介质流速10 m/s时不同结构内速度云图

对比不同结构，介质冲击产生再生噪音由大到小依次为扩张室消音器、内插管消音器和穿孔管消音器（如图5所示）。由图5可知，随着介质流速的增加，各结构产生的噪音均增加。

图5 不同消音器结构再生噪音对比

3 压力损失影响分析

3.1 压力损失影响理论分析

抗性消声器的压力损失主要包括沿程损失和局部损失[21]。沿程损失是由流体的黏滞力造成的损失，这种损失的大小与流体的流动状态有着密切的关系。图6所示为抗性消音器结构。

图6 无插入管消音器结构

采用半经验公式法计算消声器的沿程损失：

式中，L为消音器筒体有效长度，m；D为消音器内径，m；v2/2g为单位重量流体的动压；λ为沿程损失系数，与流体的黏度、流速和管道的内径以及管壁粗糙度等有关，由实验确定。

影响沿程损失主要参数为沿程损失系数 λ、消音器筒体有效长度L2、消音器内径D和介质流速v。

局部损失是在管件附近的局部范围内主要由流体速度分布急剧变化、流体微团的碰撞、流体中产生的漩涡等造成的损失。

消声器局部损失计算公式为：

式中，ζ为局部损失系数，分为突扩和突缩截面；A1为小截面管道截面积，m2；A2为大截面管道截面积，m2。影响局部损失主要参数为突缩、突扩面积比和介质速度v。

3.2 压力损失影响对比分析

在流体仿真软件中，给予+3 MPa静压，通过计算不同结构和不同流速下出入口压差，评估结构及介质流速对系统压力损失的影响，边界条件设计如表3所示。进口边界设置为速度0～25 m/s（间隔为5 m/s），出口边界设置速度为0～25 m/s，间隔为5 m/s。为了保证计算结果的准确性，迭代次数设置5,000左右，只要能保证结果收敛，迭代次数可以小于5,000。

表3 压力损失仿真边界条件

图7所示为不同消音器结构压力损失对比。由图7可知，介质冲击产生压力损失由大到小分别是：扩张室消音器＞内插管消音器＞穿孔管消音器，随着介质流速的增加，各结构产生压力损失均增加。对于插入管消音器，等效于减短了式（7）中的 L，因此相对于扩张室消音器压力损失降低；穿孔管消音器既等效于减短式（7）中的L，又改变式（9）中的截面比，相对于扩张室消音器，压力损失同样降低。

图7 不同消音器结构压力损失对比

4 结论

本文通过有限元仿真的方法研究介质流速对消声性能、再生噪音和压力损失的影响，并通过扩张室消音器、插入管消音器和穿孔管消音器的综合性能的对比，确定插入管消音器最适合空调系统使用，得到如下结论：

1）介质流速小于15 m/s时，对空调用抗性消音器消声性能影响可以忽略；

2）插入管消音器低频消声带宽是普通扩张室消音器的2倍，穿孔管消音器则保留了扩张室消音器该频段的消声特性，因此在结构尺寸一致的前提下，插入管消音器具有较优的消声性能；

3）相同介质流速10 m/s下，插入管消音器相对于无插入管扩张室消音器再生噪音和压力损失分别降低了18%和33%；

4）从综合性能分析，插入管消音器结构最优，既拓宽了低频消声频率范围，又具有相对较小的再生噪音和压力损失。