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摘要：液环压缩机是以液体作为能量传输介质，抽吸和增压气体的通用机械，在石油与天然气、化工、煤矿、造纸印刷等领域得到了广泛应用[1]。然而液环压缩机在工作时会产生很大的噪声，不符合绿色发展的理念。其不论是对操作者身体健康的伤害还是对周围环境的噪音污染，均有不可忽视的影响。消声器作为排气管道的一部分，应保证其排出压力、阻力与强度符合机械生产要求。然而市场上大部分消声器很容易出现维修频繁、消声效果差，使用周期短等情况。本项目基于缩-全尺度模型结合、理论结合实际的实验方式，搭配声学领域公式进行理论计算，并采用SolidWorks三维建模软件、COMSOL Multiphysics声学模块及ANSYS Fluent模块进行声学与空气动力学的耦合分析及结构优化，设计出一款能有效解决液环压缩机噪声问题的复合式消声器。

关键词：液环压缩机；复合式消音器；工业机械；绿色发展理念；声学性能；流动性能

一、研究背景

液环压缩机是一种接近等温压缩的气体输送设备，工作时需要不断供给工作液作为压缩和带走热量的媒介，因此液环压缩机出气口通常配置有气水分离器，把工作液和气体分离，分离出来的工作液回用或排走，气体则输送到其他流程或直接排空。当气体直接排空时，由于气水分离器内的压力较高（通常在 1～7bar（G）之间），排气会产生 110～130db 巨大噪音，不但声音尖锐刺耳，而且持续时间较长，会对周围的环境及工人的安全生产造成极为不良的影响。因此，液环压缩机排气消声设备的研制工作正不断引起关注。

二、研究目的

本项目以液环压缩机除液消音器优化设计为研究对象，通过声波理论、有限元方法，传递矩阵法等算法建立声学性能数值分析模型，以及基于计算流体动力学理论建立气液流动数值分析模型，对提出的抗阻复合式消音器的除液及消音性能进行优化分析，并采用缩尺与全尺度结合的渐进式实验测试仿生验证方案，形成解决液环压缩机气水分离器往外排气时噪声过大及气体挟带水花问题的有效方案，降低液环压缩机排气工作时对环境的影响及安全风险。

三、研究思路

本作品的研究思路是，首先实地去到重点实验依托企业—肯富来泵业有限公司考察液环压缩机的排风口结构以及分析液环压缩机的噪声特性。在通过对液环压缩机排气口附近的噪声进行1/3倍频程频率分析后，发现液环压缩机的各个频率的声音造成的噪声都不可忽略。因复合式消声结构对低、中、高频噪声都有较好的消声效果，故初步计划选择复合式消声结构。

在确定了选择何种消声结构后，基于液环压缩机实际，参考国内外文献，提出初步设计方案。方案结构图如图1所示。

该结构由小孔喷注消声结构、共振消声结构、阻性消声结构三部分组成[2]。

噪声在该复合式结构的消声器中，首先经过小孔喷注消声结构部分，小孔喷注消声结构是中国科学院声学所马大猷院士提出的一项特殊的设计技术。它与传统多纤维性吸声材料制成的消声器有很大不同，是依据小孔喷注噪声控制理论，将一个大的喷流在不小于原排气量的前提下，改为一系列小喷流来替代，将可听声能量转移到频率更高、对人体影响较小的超声频段，超声在短时间内可快速衰减。即采用多个小孔将高频声移到人耳不敏感的超声范围，从而达到降噪的目的[3]。在该结构的消声器中，小孔喷注消声结构部分采用不锈钢制造，不但具有较好的降噪效果，同时具有构造简单、体积小、质量轻的特点，且不怕水，耐温防火，清洁，无污染，可耐高温，耐腐蚀，能承受高速连续气流冲击，非常适合用于液环压缩机排气口的消声。

噪声经过孔喷注消声结构后，来到共振腔部分。共振消声结构的原理是在金属板上开有一些小孔，金属板后是共振腔。当声波传到共振结构时，小孔孔径中的气体在声波压力作用下，像活塞一样往复运动，通过孔径壁面的摩擦和阻尼作用，使一部分声能转化为热能消耗掉，从而达到降低声音声压级的效果。共振消声器对低频噪声具有较好的消声效果。

最后，噪声经过后半段的阻性消声结构。阻性消声结构主要是利用多孔吸声材料来降低噪声的。把吸声材料固定在气流通道的内壁上或按照一定方式在管道中排列，就构成了阻性消声器。当声波进入阻性消声器时，一部分声能在多孔材料的孔隙中摩擦而转化成热能耗散掉，使通过消声器的声波减弱。阻性消声器对中高频消声效果好、对低频消声效果较差。在该项目设计的液环压缩机除液消音器中，消声多孔介质材料选择耐高温、耐潮湿的48k离心棉，符合该消声器的工作环境。

在确认了消声器的初步结构后，考虑到一开始就以液环压缩机来作为实验平台会异常的不便，于是初步选择小型鼓风机为实验平台，进行一些必要的实验。又考虑到一开始就制作出实物，又大大增加实验成本与制作成本，故首先在电脑进行消声器的声学仿真和空气动力学仿真。声学仿真软件采用COMSOL Multiphysics中的声学模块；空气动力学仿真部分采用Ansys的fluent模块。

在COMSOL Multiphysics中的声学模块以及Ansys的fluent模块中进行消声器的声学仿真和空气动力学仿真，通过调整消声器的壁径和小孔直径来选着最优解。最终选择最优模型，制作出消声器的实物模型，安装在小型鼓风机上验证仿真结构以及根据实际效果进行改进消声器结构。最终通过相似定律，将缩小版消声器放大到和液环压缩机相匹配大小的消声器。最终安装到液环压缩机上测试最终效果。

四、研究方法

本项目主要采取理论分析、数值模拟与试验测试相结合方式开展研究。首先，通过现场检测获取液环压缩机除液排气特征，结合现有气液分离技术，提出消声器初步结构布局方案；随后，搭建消音器声学与流体动力学数值模型，进行消音器噪声与流动特性分析，建立消音器声学与流体动力学耦合关系，提出优化设计方案；最后，搭建试验测试平台，论证方案的可行性，输出合理方案。在项目开始前，从控制成本角度出发，首先建立消音器缩尺度试验测试平台，所以一开始选用小型鼓风机为实验平台。

4.1理论分析

在理论分析部分，分析了液环压缩机排气口的噪声特性，知各个频率的声音造成的噪声都不可忽略，故选用由小孔喷注消声结构、共振消声结构、阻性消声结构三部分组成的复合式消声结构。

在小孔喷注消声结构中，当喷注小孔的直径小于4mm时，喷注噪声能将噪声频率转移到人耳不敏感的频率 （> 8 000 Hz），但根据经验般选择小孔的直径为 1～3 mm，但是出于加工难度和加工成本考虑，在此选择喷注小孔直径d设计为2mm。喷注小孔b孔距应满足以下公式[4]：

在这取b=10.5mm。为了排气通畅，开孔通流面积取排气通流面积的多倍。鼓风机的排气通流口为半径为20mm的圆形截面，故通流面积为400π mm2，因喷注孔直径为2mm，为满足开孔通流面积为排气通流面积的1.2倍的条件，取小孔的数量为480个，为了保证能取到足够多的小孔，且保证小孔喷注消声结构长度适合，取小孔喷注消声结构的小孔喷注圆柱面外径为R3=50.2mm。

在共振消声结构中，其具有较强的频率选择性，在此选择共振频率f0为125Hz，在共振消声结构中，因为气流通道截面积S截面积越小，消声量越大，且为了配合小孔喷注消声结构，所以共振消声结构的共振空腔内径选为65.2mm。在此选择共振空腔的长度为170mm。由共振消声器的共振频率公式：

其中c为音速取340m/s，V为共振腔内体积得0.088m3，解得G=0.46957m，其中G为

其中t为穿孔板板厚，n为小孔数量，d为孔径。共振消声结构，穿孔板的厚度宜取1～5mm；孔径宜取φ3～φ10mm。

由共振消声器消声量计算公式[5]

可得板厚选偏薄，孔径选择偏大的数值，消声效果更好，故在此选择板厚t=2mm，孔径d=8mm，解得小孔数量n=78个

通过上述公式，解得k=4.76

解得共振消声结构消声量为△L=22.6225dB

在阻性消声结构中，择多孔吸声材料为48k离心玻璃棉，因为离心玻璃棉耐高温、耐潮湿，符合消声器的工作环境。

4.2数值模拟

在SolidWorks上建立消声器模型。为了验证数值模拟的准确性，从网络上购置了一个结构较为简单的阻性消声器，并在comsol软件上建模进行声学仿真。接着定义边界，除入气口与排气口外，其余面都定义为硬声场边界；入气口与排气口定义为端口面，并在入气口加入射波激励，因测得无消声器时鼓风机噪声数值为98.6dB，故设压力幅值为0.986Pa。接着添加多孔介质声学模型，该介质尺寸参考购买来的消声器的尺寸构建而成，流阻率选着1000 pa.s/m2。然后进行网格划分，利用软件自带的网格划分功能对模型进行网格划分，选择划分自由四面体网格，仿真取仿真频率达7000Hz，因在频域分析中，在一个波长里因含有6个以上的单元，故网格最大单元大小取0.01m，最小单元大小取0.005m。

最后对该采购来的消声器的声学仿真进行结果分析。在低频声压级云图中，可以得知在130hz低频噪声情况下，该消声器在声音入射口处声压级低于出射口处的声压级，可知该消声器对低频噪声消声效果差；在高频声压级云图中，得知在2000hz低频噪声情况下，该消声器在声音入射口处声压级高于出射口处的声压级，可知该消声器对高频噪声消声效果良好；在传递损失函数线图中，可以得知消声器对不同频率噪声的传递损失随着频率的增高而增高。由此总结出阻性消声器对高频噪音消声效果明显，该仿真结果符合阻性消声器特性，故验证了comsol声学仿真的准确性。

接着对自主设计的消声器进行声学仿真。仿真结果得出，在低频声压级云图中，可以得知在210hz低频噪声情况下，该消声器在声音出射口处声压级远低于出射口处的声压级，可知该消声器对低频噪声消声效果非常好；在高频声压级云图中，可以得知在2010hz低频噪声情况下，该消声器在声音入射口处声压级高于出射口处的声压级，可知该消声器对高频噪声消声效果良好；在传递损失函数线图中，可以得知消声器对不同频率噪声的传递损失无明显规律，但是整体传递损失数值客观，都比采购来的消声器高。

总结，对比两种类型的消声器传递损失函数线图，可以看出无论是在低频还是高频的情况下，自主设计的消声器的传递损失都大于采购来的消声器的传递损失，故自主设计的消声器性能大大优于采购来的消声器的性能，验证了该项目的先进性。最后做出实物，装在小型鼓风机上测试，测试效果良好。最终依据相似定律，放大消声器模型，安装到液环压缩机中。

五、创新点

1、采用缩-全尺度模型结合的试验方式。本项目以缩-全尺度模型结合的试验方式，通过构建可行性方案的渐进式收敛模式，系统研究宏观结构-流体耦合条件下的声学拓扑优化问题，实现试验成本的控制；

2、采用先进的声学和流体动力学仿真平台。利用声学和流体动力学仿真平台，发展一套适用于含气液分离的消音降噪的声学-流体动力学耦合计算模型。与目前国际上已发展的耦合优化模型相比，本模型的优势在于可以精确描述具有开放边界的声场优化问题。该模型不仅适用于高频优化，对于一些低频优化问题也能取得较理想的优化结果。

3、本产品拟定消音器结构由小孔喷注消声结构、共振消声结构、阻性消声结构三部分组成。小孔喷注消声结构的喷注小孔孔径直径为2mm，喷注通流面积为排气口通流面积的1.2倍，壁厚为2mm；共振消声结构的共振频率为125HZ，内腔外腔臂厚均为2mm；阻性消声结构，选择48k离心玻璃棉。该特殊结构作为本产品技术指标，具备良好的消声效果。

参考文献

[1]王学谦.液环压缩机吸入压缩性能分析及实验研究[D].华南理工大学，2019.DOI：10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.003323.

[2]朱燕，王兵.水环真空泵阻抗复合消声器的设计及效果[J].电力科技与环保，2016，32（04）：43-44.

[3]马大猷，李沛滋，戴根华，王宏玉.小孔喷注噪声和小孔消声器[J].中国科学，1977（05）：445-455.

[4]马大猷.现代声学理论基础[M].科学出版社，2004

[5]方丹群，张斌，噪声控制工程学[M].北京：科学出版社，2013

作者简介：刘芝（2001年12月-）；女（汉）；籍贯：广东省潮州市；最高学历：本科 ；目前职称：无；研究方向：工业设计专业。

项目基金：

本文系2022佛山科学技术学院学生学术基金资助项目

项目名称：液环压缩机除液消音器声学性能与流动特性优化设计研究

项目编号：xsjj202207kjb03