CN104389665A - 用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，包括一个穿孔管，其特征在于：在所述的穿孔管内沿气流传输的方向上，位于气流出口方向的穿孔管段设有用于增加穿孔管的低频消声性能的穿孔，位于气流入口方向的穿孔管的内壁上设有具有减阻特性的脊状结构；所述的气流流经穿孔管时先经过脊状结构的梳理再从穿孔段流出。本发明利用脊状结构的减阻特性来梳理气流，提高其空气动力学性能。本发明将普通穿孔管全段均布穿孔改为管段后部均布穿孔，增加穿孔管的低频消声性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗性***新型穿孔管消声单元结构，尤其是一种用于工程机械的抗性***穿孔管结构。
背景技术
抗性***是控制工程机械排气噪声的主要途径，而穿孔管是抗性***中不可或缺的消声单元之一，从实际测量的工程机械排气噪声1/3倍频程谱得知，对排气噪声贡献较大的频率段主要集中在低频段，因此低频噪声的控制是降低排气噪声的一个有效途径，由于穿孔管结构有其对应的共振频率，在共振频率附近可取的较为理想的消声效果，因此合理设计其共振频率，使其位于低频段附近可有效降低低频噪声，并且穿孔管的压力损失也较小，因此穿孔管结构在抗性***中得到广泛的应用。
从工程机械用抗性***生产厂家了解到，目前在本行业中穿孔管消声单元普遍采用均布式穿孔方法，本领域技术人员也普遍认同穿孔段均布于整个管段且穿孔尽可能多的方法，因为这样做可以发挥穿孔管低频消声性能和压力损失小等优点，但是这种方式会导致管段内部气流流过时杂乱无章，速度波动剧烈，导致较高的气流再生噪声，影响***的消声性能，另外，由于存在技术偏见，本领域技术人员很少会考虑穿孔的位置设置及***内壁的结构对消声效果的影响。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足和本领域的技术偏见，提供一种结构合理，声学性能好，气流再生噪声小，对发动机排气低、中频噪声的消声效果明显的用于工程机械抗性***的新型穿孔管消声单元。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，包括一个穿孔管，在所述的穿孔管内沿气流传输的方向上，位于气流出口方向的穿孔管段设有用于增加穿孔管的低频消声性能的穿孔，位于气流入口方向的穿孔管的内壁上还设有具有减阻特性的脊状结构；所述的气流流经穿孔管时先经过脊状结构的梳理再从穿孔段流出。利用脊状结构的减阻特性来梳理气流，提高其空气动力学性能。将普通穿孔管全段均布穿孔改为管段后部均布穿孔，增加穿孔管的低频消声性能。
所述的脊状结构为梯形脊状结构。
所述的梯形脊状结构是直接在穿孔管内壁上加工出来的，其凹陷于穿孔管内壁上；
所述的梯形脊状结构作为一个部件附加在穿孔管内壁上，其呈突起状。
所述的脊状结构在穿孔管的位置与穿孔的位置相错开；脊状结构位于穿孔管的前段内壁上。
所述的脊状结构为V型。
所述的V形脊状结构作为一个部件附加在穿孔管内壁上，呈突起状。
所述的V形脊状结构作为一个在穿孔管内壁上加工出来的结构，呈凹陷状。
所述的穿孔直径设为5mm。
本发明的工作原理如下：
本发明在不改变现有穿孔个数和穿孔直径的前提下，将穿孔均布的穿孔管段改为尾部穿孔的穿孔管，在穿孔管的前段内壁上加入脊状结构，保持管径不变。
引入脊状结构是利用脊状结构的减阻特性，当气流流经带有脊状结构的管段时，由于脊与脊的间隙中迎风面和背风面压力不一样产生压差，压差导致与来流方向相反的小涡产生，这些涡会产生涡垫作用和推力作用，经过这两个作用，脊状结构起到减阻的效果，该新型穿孔管消声单元正是利用脊状结构的减阻特性来梳理管中气流的流动，使之流动过程中层次分明，速度突变减小，湍动能降低，以达到降低气流再生噪声的目的。
将穿孔管段置于穿孔管的尾部有利于增加穿孔管段的低频消声性能，从声学仿真结果中就能看出，在保持其他部件不变的前提下，对复杂抗性***中的某一穿孔管做穿孔段移至尾部的处理，其传递损失曲线在低频段消声量得到明显的提升，而且低频的有效消声频段也得到扩大。
将脊状结构和管段尾部穿孔应用到新型穿孔管中，既能有较为理想的低频消声性能又能使得气流再生噪声降低，有利于***中高频的消声。
本发明的有益效果如下：
1.穿孔管采用脊状结构来梳理管中的空气流动，使得穿孔管具有较好的空气动力学性能，气流流动过程中层次分明，速度突变减小，湍动能降低，减小了穿孔管内壁的流阻，以达到降低气流再生噪声的目的；
2.穿孔管穿孔分布在管段尾部，相比于均布穿孔来说，其低频消声性能进一步提升，低频消声量数值明显增大，而且消声频段也明显扩大。尾部穿孔也使得每个穿孔利用率增加，同样流量的气流流经该穿孔段时更加顺畅；
3.相比于普通穿孔管，该新型穿孔管使得排气背压有12％-17％的增加，虽然研究表明排气背压与发动机的功率呈负相关，即排气背压越大发动机功率损失越大，但是对于发动机而言另一个重要的参数就是排气速率，该结构虽然会引起排气背压的增大，但同时提高了排气速率，排气速率的提高可以使得发动机在同一时间内排出更多的废气，这也是一个有益的提升。
附图说明
图1(a)-图1(b)是带普通穿孔管的复杂抗性***；
图2是带普通穿孔管的复杂抗性***的声学传递损失曲线；
图3(a)-图3(c)是带普通穿孔管的复杂抗性***的(空气动力学)流场仿真结果；
图4(a)-图4(c)是带新型穿孔管的复杂抗性***的(空气动力学)流场仿真结果；
图5是带新型穿孔管的复杂抗性***的声学传递损失曲线；
图6(a)-图6(b)是本发明装置的示意图；
图7(a)-图7(b)是本发明装置的示意图；
图8(a)-图8(b)是本发明实施例的示意图；
图9(a)-图9(b)是本发明实施例的示意图；
图中：1一二腔穿孔管，2二三腔穿孔管，3进气管，4出气管，5腔室Ⅰ，6腔室
Ⅱ，7腔室Ⅲ，8穿孔管管体，9脊状结构，10穿孔段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
首先，本发明采用数值仿真分析的方法对穿孔管的声学和空气动力学性能进行分析，以下便结合数值仿真分析结果对穿孔管消声单元的声学与空气动力学性能进行论述：
如图1(a)、(b)所示，将穿孔均布的普通穿孔管应用于复杂***中，图2为带普通穿孔管的复杂抗性***的声学传递损失曲线，图3为带普通穿孔管的复杂抗性***的(空气动力学)流场仿真结果。
从图2看出虽然应用了穿孔管结构，但是其低频消声性能还是不太理想。从图3(a)中压力云图得出压力在管段内逐渐增大，越靠近管段尾部压力越大；从图3(b)中速度云图上得出，穿孔管内部速度分度较为混乱，势核区长度较大，边界层厚度忽厚忽薄；从图3(c)中湍流强度云图得到穿孔管内部尤其是壁面处速度波动较为剧烈，易产生较大的气流再生噪声。
根据上面的仿真结构，本发明提出把脊状结构和尾部穿孔融合在一起实现提高穿孔管消声性能的目的；
实施例1
针对工程机械用的抗性***穿孔管消声单元，将其应用于复杂抗性***中，如图8(a-b)所示，其中包括脊状结构穿孔管1，二三腔穿孔管2，进气管3，出气管4，腔室Ⅰ5，腔室Ⅱ6，腔室Ⅲ7，气流由进气管3进入腔室Ⅰ5，再流经脊状结构穿孔管1进入腔室Ⅱ6，然后气流进入二三腔穿孔管2到达腔室Ⅲ7，在经过出气管4排到大气中。
本例中采用的脊状结构为梯形脊状结构且外凸于穿孔管内壁上，且梯形脊状结构的下底与孔管内壁实现无缝贴合，见附图7(a-b)，具体尺寸为：包括穿孔管管体8、梯形脊状结构2、穿孔段3，其中穿孔管管体长为，内径为，梯形脊状结构是高为1mm，上底是1mm下底是2mm的等腰梯形，沿螺距为5mm的螺旋线布于内壁面20圈；该穿孔管穿孔段穿孔直径为5mm，穿孔个数为40个(4圈x10个/圈)，气流流经穿孔管时先经过梯形脊状结构的梳理再从穿孔段流出，通过脊状结构的减阻作用和尾部穿孔提高低频消声性能，实现了穿孔管消声单元消声性能的提高。
图4(a)-图4(c)为带新型穿孔管的复杂抗性***的(空气动力学)流场仿真结果，图5为带新型穿孔管的复杂抗性***的声学传递损失曲线。从图4(a)的速度云图可以看出新型穿孔管结构中虽然势核长度有所增加，势核内的速度数值有所提升，但是管中气流的分层更加合理，层流、湍流层次分明。气流流经穿孔时的速度有所提升，穿孔的利用率增加。从图4(b)的湍动能云图可以看出该结构的管段内部湍动能明显低于普通穿孔管结构的湍动能。该新型结构虽然势核长度增加，速度提升，但是气流流动过程中层次分明，速度突变减小，湍动能降低，减小了穿孔管内壁的流阻，可以预见能够达到降低气流再生噪声的目的。对比图5与图2的传递损失曲线可知，该新型结构的低频消声量数值明显增大，而且消声频段也明显扩大，在低频段消声取得明显改善。
实施例2
针对工程机械用的抗性***穿孔管消声单元，将其应用于复杂抗性***中，如图9(a-b)所示，其中1脊状结构穿孔管，2二三腔穿孔管，进气管3，出气管4，腔室Ⅰ5，腔室Ⅱ6，腔室Ⅲ7，气流由3进气管进入5腔室Ⅰ，再流经1脊状结构穿孔管进入6腔室Ⅱ，然后气流进入2二三腔穿孔管到达7腔室Ⅲ，在经过4出气管排到大气中。
本例中采用的脊状结构穿孔管为梯形脊状结构且凹陷于穿孔管内壁上，见附图6(a-b)，具体尺寸为：包括穿孔管管体1、梯形脊状结构2、穿孔段3，其中穿孔管管体长为219mm，内径为30mm，梯形脊状结构是高为1mm，上底是1mm下底是2mm的等腰梯形，沿螺距为5mm的螺旋线布于内壁面20圈；该穿孔管穿孔段穿孔直径为5mm，穿孔个数为40个(4圈x10个/圈)，气流流经穿孔管时先经过梯形脊状结构的梳理再从穿孔段流出，通过脊状结构的减阻作用和尾部穿孔提高低频消声性能，实现了穿孔管消声单元消声性能的提高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (8)
1.用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，包括一个穿孔管，其特征在于：在所述的穿孔管内沿气流传输的方向上，位于气流出口方向的穿孔管段设有用于增加穿孔管的低频消声性能的穿孔，位于气流入口方向的穿孔管的内壁上设有具有减阻特性的脊状结构；所述的气流流经穿孔管时先经过脊状结构的梳理再从穿孔段流出。
2.如权利要求1所述的用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，其特征在于：所述的脊状结构为梯形脊状结构。
3.如权利要求2所述的用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，其特征在于：所述的梯形脊状结构是直接在穿孔管内壁上加工出来的，其凹陷于穿孔管内壁上。
4.如权利要求2所述的用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，其特征在于：所述的梯形脊状结构作为一个部件附加在穿孔管内壁上，其呈突起状。
5.如权利要求1所述的用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，其特征在于：所述的脊状结构为V型。
6.如权利要求5所述的用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，其特征在于：所述的V形脊状结构作为一个部件附加在穿孔管内壁上，呈突起状。
7.如权利要求5所述的用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，其特征在于：所述的V形脊状结构作为一个在穿孔管内壁上加工出来的结构，呈凹陷状。
8.如权利要求1所述的用于抗性***的脊状结构穿孔管消声单元，其特征在于：所述的穿孔直径设为5mm。
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