多级降压消声器结构的优化设计研究

　　1　前　言

　　在高压气体排气放空噪声的控制中,常采用多级降压消声器。传统的设计方法是凭经验选择几何参数,用半理论、半经验公式计算消声量、插入损失等,通常多是根据现场情况、投资情况、个人经验等进行,这样的设计工作不规范、费时费力,设计出的消声器存在体积大、效率低等缺点。因此,研究优化设计方法在多级降压消声器设计中的应用,有较强的实用价值。近几年来针对阻性消声器的优化设计研究较多,而多级降压消声器的优化研究却很少见。本文从实用角度出发,依据喷注噪声理论,以消声器重量最小为控制目标,利用优化算法直接确定结构参数。优化后消声器的消声量用边界元法计算,结果表明,本文的优化计算结果是可靠的,与实际应用情况相吻合,设计的消声器具有较好的经济性和实用性。

　　2　数学模型的建立

　　2.1　目标函数

　　喷注消声器的评价是一个多目标的优化问题,主要有消声量评价、频谱特性评价、结构经济性评价等。为简化最优化设计程序,可针对不同要求,作出单一目标函数,而将其余评价目标作为约束条件处理。

　　当噪声源和环境条件不变时,消声器的气动性能和降噪量是确定的,此时,工程上的主要问题就是减少设备的安装体积和降低材料的成本。因此,考虑本文的实用性,选定消声器的外形体积作为目标函数,得到:

　　X是下面要定义的优化参数,G(X)是消声器的设计重量,单位为kg。其中,Gi为喷注—扩张单元重量,δ0为壁厚,r为金属质量比重。Gi的计算公式由各级喷注—扩张单元的具体的构造决定。

　　2.2　约束条件

　　(1)消声量的约束

　　令AD为消声器的设计消声量[1],于是,得到消声量的约束条件为

　　(2)通流面积约束

　　为了保证装上消声器之后不会影响高压容器的排气放空,各级通流板的通流面积必须大于最小通流面积,于是各级通流面积的约束条件为

式中:Q为排空流量,Ji为第i级的单位通流面积的质量流量

　　(3)消声器安装尺寸约束

　　在实际应用场合,消声器的安装位置常会受到很多约束,消声器的尺寸大小也会有限制,不能大于其限制尺寸,于是消声器的尺寸约束如下

式中为消声器安装位置的最大长度和最大直径。

　　2.3　设计变量

　　设计变量为各级的直径di、长度li和通流面积Si,以及消声器壁的厚度。因此,确定如下主要设计变量为

　　变量的数目由消声器的级数决定。

　　2.4　优化设计算法