摘 要：消声器是一种允许气流通过而又能控制气流噪声的装置，本文阐述其类型、应用和特点，要求消声器有较好的声学性能和空气动力性能。消声器的阻力系数体现消声器对气流阻力和压力损失的大小。利用计算流体力学（CFD）方法计算阻力系数，并经实验验证，证明CFD计算方法在消声器阻力系数中的计算可行。以某机械厂生产的叉车消声器为例，用CFD计算其阻力系数，分析原设计中的不足，加以改进，使其阻力系数降低，提高空气动力性能。利用阻力系数来分析消声器性能，在工程实际中有一定的应用价值。
关键词：声学；消声器；阻力系数；压力损失；CFD
消声器主要安装在进、排气口或气流通过的管道中。一个性能好的消声器，可使气流噪声降低20～40 dB（A），在噪声控制中应用极为广泛。消声器按消声机理可分为五大类：阻性消声器、抗性消声器、微穿孔板消声器、阻抗复合型消声器和扩散消声器。
1.1 板消声器的类型和特点
阻性消声器，气流通道上安装吸声材料，声波通过吸声材料产生的摩擦阻力和粘滞作用消耗声能，降低噪声，是一种吸收消声器。阻性消声器对中、高频有良好的消声性能，对低频消声性能较差，主要用于控制风机等的进、排气噪声。
抗性消声器，是利用声抗来消声，没有吸声材料，气流通过管道上截面突变或旁接共振腔时，某些频率的声波发生发射、干涉等，降低噪声，它相当于一个声学滤波器。抗性消声器对于消除低、中频的窄带噪声效果较好，主要用于消除空压机的进气噪声以及内燃机的排气噪声等。
阻抗复合型消声器，是前二者的组合，既有阻性吸声材料，又有共振腔、扩张室、穿孔板等声学滤波器件。有良好的宽频带、高吸收的消声效果，应用广泛。
微穿孔板消声器，是利用微穿孔板吸声结构制成的消声器。通过选择微穿孔板上的不同穿孔率与板后的不同腔深，能够在较宽的频率范围内获得良好的消声效果。微穿孔板消声器阻力损失小，再生噪声低，消声频带宽，可耐高温和气流的冲击，不怕油雾和蒸汽，可用于超净化空调系统以及要求洁净的场所的消声。
扩散型消声器，是从生源上降低噪声，利用扩散降速、变频或改变喷注气流参数来降低噪声。有优良的宽频带消声特性，主要安装在锅炉排汽、高炉防风、喷气式飞机、火箭等消声。
1.2 消声器的要求
（1）良好的声学性能：要求消声器有良好的消声特性，插入损失、传声损失要小，减噪量要大。消声器在一定的流速、温度、湿度、压力等工作环境中，在所要求的频率范围内应有足够大的消声量，或在较宽的频率范围内能满足需要的消声量要求；
（2）优良的空气动力性能：要求消声器对气流的阻力要小，阻力损失要小，不影响通过气流的风量，不妨碍设备的正常工作，气流通过消声器时所产生的再生噪声要低；
（3）优秀的结构性能：要求消声器的空间位置要合理，体积小，重量轻，结构简单，便于加工、安装和维修，坚固耐用，应注意耐高温、耐腐蚀、耐潮湿等特殊要求，使用寿命长；
（4）优美的外形及装饰：要求消声器的外形应美观大方，体积和外形应满足设备总体布局的限制要求，表面装饰应与设备总体相协调，体现环保、绿色、节能产品的特点；
（5）合理的价格费用：要求消声器要价格便宜，性价比好，经久耐用，条件允许的情况下，应尽可能保证工作可靠，减少消声器的材料消耗，以降低费用[14]。
2 消声器的阻力系数
对消声器性能的评价，重点考虑声学性能和空气动力性能二个方面。消声器的声学性能包括消声声量的大小和消声频率范围宽窄两个方面，主要指标有插入损失、传声损失、减噪量和衰减量。消声器的空气动力性能，反映消声器对气流阻力的大小，主要指标是阻力系数和阻力损失。由于阻力损失在理论和实验方面研究较多，本文着重阐述阻力系数，论证其实际工作中的应用。
2.1 定义
本文所研究的消声器阻力系数并不是常说的流体力学中的沿程阻力系数或局部阻力系数，而是衡量消声器中压力损失和动压大小的一个比值。定义阻力系数为：气流通过消声器前后的压力损失与动压之比。它全面反映消声器对气流阻力和压力损失的大小，体现了消声器的空气动力性能。由定义知阻力系数与压力损失是有关系的，在反映压力损失上是一致的。阻力系数阻力系数大，压力损失大。
阻力系数定义为
式中Δp——压力损失；
——平均动压值，为
式中ε——修正因子；
pn——某点处的动压值。
式中N为测量点的个数；vi为某一个点的速度值，m/s；vm为截面中心处气流速度值，m/s。
式中ρ——空气密度；
v——平均空气速度；
g——重力加速度。
2.2 阻力系数有关说明
引入阻力系数主要是分析消声器的空气动力性能。空气动力性能反映消声器对气流阻力的大小，主要用压力损失和阻力系数来表示。消声器的压力损失一般由两部分组成：一是局部损失；二是沿程损失。局部损失发生在消声器内收缩、扩张等截面突变处，由于气流速度因截面变化而变化，导致流体相互碰撞，进一步加剧流体间的相互摩擦，造成损失。沿程损失发生在气流通道处，由于消声器通道壁面摩擦而造成的损失。消声器的阻力系数是一个与压力损失有关的比值，主要是反映安装消声器后输气是否通畅，风压有无变化、压力损失比值多大等。压力损失重在反映能量的损失大小，而阻力系数重在说明能量损失占原来能量的比值大小。对于一个特定的消声器，其阻力系数是确定的，但如果改变一些与之有关的参数，如结构、入口气流速度等，则会发生变化。如抗性消声器的阻力系数受其穿孔直径和穿孔率影响较大。由于消声器的阻力系数测量很繁琐，只有在专门设备上才能测得，在实际中很少这样做。如果利用计算方法快速得到比较准确的阻力系数值，借此来分析消声器的性能，这样就可避免繁杂的测量工作，而用简单的计算方法来为消声器的优化设计提供基础。这也是研究阻力系数的意义所在。
3 消声器的阻力系数CFD计算
CFD是英文Computational Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称。它是伴随着计算机技术、数值计算技术的发展而产生的。用以模拟仿真实际的流体流动情况。而其基本原理则是数值求解控制流体流动的微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。可以认为CFD是现代模拟仿真技术的一种。CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。
3.1 模型基础
为便于计算和分析，对消声器的工作条件假设如下：一是气体流动为定常流动中的流体；二是消声器物理性能参数不发生变化；三是入口速度为匀速；四是不计重力影响。消声器的物理模型如图1。
3.2 数学模型
参考文献[12—13]，控制方程的通用公式为
图1 消声器模型图
式中 φ为通用变量，代表速度、温度、能量等求解变量；ρ为空气密度；V为速度矢量；Γ和S分别为与φ相对应的广义扩散系数及广义源项，三者对应关系见表1；其中与通用变量对应的u、v、w分别为x、y、z三个方向的速度，T为绝对温度，k为湍流动能，ε为湍流动能耗散率；与广义扩散系数对应的μ为粘性系数，μt为湍流粘性系数，Pr为普朗特数，Cu、C1、C2、σε、σT和σk分别为量纲一常数；与广义源项对应的Su、Sv、和Sw分别为x、y、z三个方向的源项，G为湍流应力。
表1 φ、Γ和S对应关系
消声器的压力损失为
式中
为消声器入口截面全压值；
为消声器出口截面全压值。
特定截面的全压为
式中
为截面的气流静压，
为截面的气流动压。
各常数取值如下Cu=0.09,σT=0.95,σk=1.0，C1=1.44，C2=1.92，σε=1.3，g=9.8 m/s2,消声器的外面空气流速u=v=w=0。
3.3 基本条件
模型消声器入口长度L=60 mm，入口直径D= 50 mm，出口长度L1=60 mm，出口直径D=50 mm，扩张腔长度L=200 mm，直径D=100 mm，空气密度为1.23 kg/m。边界条件：输入流体温度803 K，输出流体温度300 K，消声器材料为Q 235 A，厚度1.5 mm，温度700 K。
3.4 计算结果
利用CFD方法将模型的数值编制成计算机程序上机计算，具体计算过程不阐述，计算结果见表2。
表2 阻力系数求解结果
3.5 实验验证
为验证CFD方法的准确性，参照文献[15]，实验验证方法和结果不再细述，计算值整体小于测量值。但这误差率在10%以下，误差的主要原因：实际测量人为影响、仪器本身的精度以及CFD计算的理想化等，但这偏差在工程中是可以接受的。因此利用CFD方法在消声器压力损失和阻力系数中计算中是有效可行的。
4 实际应用
以龙岩某机械厂生产的叉车消声器为例。该叉车型号为LG 30 D，消声器是一种抗性消声器，穿孔管内径100 mm，穿孔个数20个，穿孔直径10 mm，穿孔率9%。其三个腔长度分别为：前腔335 mm、中腔300 mm、后腔275 mm。膨胀长度200 mm，直径420 mm，内插入管长管为160 mm，短管为40 mm，简化物理模型如图2。
4.1 阻力系数计算
该叉车发动机排量3 L，转速2 600 r/min，消声器入口速度30 m/s，利用CFD进行计算，阻力系数为1.69，压力损失2 932 Pa。
图2 消声器结构图
4.2 内部流场分析
当气体从进气管流入前腔，经插入管到中腔、后腔，最后经出气管排出，途中气体通流面积产生变化，造成涡流现象，产生能量消耗，导致压力损失。消声器每个腔的压力有差别。从进气开始到排气，顺着气流方向，各腔的压力逐渐变小，如前腔气体压力范围为2 500～5 000 Pa，中腔压力范围为700～1 000 Pa，后腔压力范围为1 500～1 900 Pa。压力损失在前腔较大，为3 342 Pa，主要集中在有穿孔结构的区域；其中，插入管和穿孔区域是整个消声器压力损失最为严重的部位，也是能量消耗最为集中的部分。从内部流场选取几个穿孔位置分析，选取不同的穿孔直径和穿孔率进行模拟，发现穿孔直径和穿孔率对阻力系数影响较大。因此，优化配置穿孔直径和穿孔率，可降低压力损失和阻力系数，也可降低气流对消声器气体和穿孔管的冲击，提高消声器的使用寿命和空气动力性能。
4.3 设计不足及原因
该消声器阻力系数较小，压力损失不大，这在实际使用中已得到验证。但如果采取有效措施，阻力系数还有降低的空间，能进一步提高消声器的空气动力性能。仔细分析，原消声器设计中有些不足：一是消声器中长插入管偏长，已进入到后腔，气流缓冲、回转路径偏短，不利于气体流动。二是前腔与中腔长度较接近，消声频率基本一致，不利于消声。三是穿孔直径和穿孔率还可以进一步优化。
对直流微穿孔消声器，随着穿孔率的增大，阻力系数变大。这是因为穿孔率变大，进入消声器膨胀腔的气体加多，气流的流程增加，沿程压力损失变大，总的压力损失变大，从而阻力系数变大。阻力系数与穿孔率的关系如图3。对直流穿孔消声器直径增加，阻力系数变大。这是因为穿孔直径变大，进入消声器膨胀腔的气体增加，沿程压力损失增大，总的压力损失增加，阻力系数变大。阻力系数与穿孔直径关系如图4。
图3 消声器阻力系数随穿孔率变化曲线图
图4 消声器阻力系数随穿孔直径变化曲线图
4.4 改进措施
在保证消声的前提下，对LG30D叉车消声器进行改进：一是将长插入管的长度缩短，使其插入到后腔的出口长度为零。二是将原先的10 mm，20排穿孔改为8 mm，10排的结构。三是将前腔、中腔、后腔的长度分别由335 mm、300 mm、275 mm调整为285 mm、315 mm、280 mm。改进后再用上述方法对消声器阻力系数进行CFD仿真计算，其阻力系数为1.13，比原先的1.69下降了33%；压力损失由原先的2 932 Pa降低为2 150 Pa，下降了27%。三个腔的速度也比较均匀，消声器的消声性能和空气动力性能更好。
5 结语
（1）利用CFD方法对消声器阻力系数进行计算是可行的且基本准确，可适用于消声器的性能分析，避免繁琐的实际测量；
（2）阻力系数能全面反映消声器的空气动力性能。消声器的阻力系数小，压力损失小，空气动力性能好；
（3）消声器的结构对阻力系数的影响较大。抗性消声器的穿孔直径增加，阻力系数变大。穿孔率增大，阻力系数变大；
（4）阻力系数的计算可为消声器的优化设计提供理论基础。
