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船用柴油机排气消声器声学性能预测的边界元法及实验研究

王雪仁  
【摘要】: 消声器是降低船用柴油机排气噪声的有效措施之一。鉴于消声器内部声场的复杂性,通常要求使用三维数值方法预测其声学特性。边界元法是一种先进高效的数值方法,已被广泛应用于管道和消声器声学特性的预测。然而传统边界元法在处理大区域、高频声场问题时遇到了计算量和存储量过大问题的限制。此外,传统边界元法还无法被用于预测具有较高马赫数亚音速流中的声传播问题。为解决这些问题,本文开展了快速多极子边界元法和双倒易边界元法研究。 针对静态介质中内部声学问题的求解,本文发展了快速多极子边界元法,阐述了其基本原理与数值实现过程,并首次将其成功地应用于消声器声学性能的预测,研究和分析了它在预测消声器声学性能时存在的特殊规律。数值算例表明,该方法能获得较高的计算精度,有效节约数据存储量,并在一定频率范围内节省大量计算时间。 对于具有较高马赫数亚音速流时内部声学问题的求解,本文发展了一种双倒易边界元法,给出了其数值实现过程,并首次将其成功地应用于预测有复杂流时管道和消声器的声学性能。与传统边界元方法相比,该方法考虑了声学控制方程中气流马赫数二阶小量的影响,因此适用于具有较高马赫数亚音速流的情况。数值算例验证了该方法的正确性。 双倒易边界元法运算过程中一般包括3个矩阵的相乘和一个矩阵的求逆运算,所需的计算量至少为传统边界元法的13倍,这严重限制了其应用与发展。另一方面,对于复杂结构的消声器,直接应用边界元法时往往存在积分的超奇异性问题,使数值运算变得繁琐,数值结果也往往具有较大的误差。本文发展的子结构双倒易边界元法有效地解决了以上两个问题。该方法基本思想是:首先将待考察声学系统分割为若干个子结构,在每个子结构中分别应用双倒易边界元法求得各自的阻抗矩阵,然后结合公共边界上的连续性条件对整个声学系统进行计算。数值算例验证了该方法的正确性与有效性,并初步考察了气流对较复杂结构消声器声学性能的影响规律,结果表明,较高马赫数亚音速流对复杂结构消声器声学性能的影响不可忽略。 为进一步验证所发展的边界元法预测排气消声器声学性能的正确性,并为实际船用柴油机排气消声器的设计和性能评价服务,研究和发展相应的实验测试技术是必不可少的。研制成功了国内首台船用柴油机排气消声器冷、热性能试验台。台架以两个高压离心风机串联增压的方式作为风源,采用航空燃气轮机燃烧室作为燃烧器,可满足试验台架流量和阻力损失的要求。烟气的温度和流量由控制系统调节实现,控制系统分自动控制和手动控制,操作方便。控制程序又分为冷风控制程序和热风控制程序:冷风控制程序采用流量作为单一控制变量,容易实现;热风控制程序有流量和温度两个控制变量,需要实现解耦控制,难度较大。台架的测量系统设计合理,可实现管道内流体参数和消声器参数的准确测量,满足了实验分析与控制系统对测量精度的要求。设计了一种新型隔声罩结构,有效降低了试验台的辐射噪声。实验结果表明:该试验台可满足2000kw以下发动机排气消声器性能分析实验和成品验收试验的要求;其气体流量范围为0~8m~3/s,控制精度为±5%;温度调节范围为20~600℃,控制精度为±10℃;连续工况间调节时间在5分钟以内。 在试验台上进一步研究了管道和消声器声学性能的测量方法,并应用于管道和消声器无流和有流条件下声学性能的实验测量。测量结果与本文边界元预测结果吻合良好,表明所发展的实验方法和数值预测方法是正确的。 最后用本文发展的边界元法预测并分析了双级膨胀腔消声器的声学性能,研究了内插管数量、进出口位置、导流环结构和复杂流对消声器声学性能的影响规律,得出了许多有实际应用价值的结论。


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