某型空調(diào)室外機(jī)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算研究

馬麗華

(廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東佛山，528311)

某型空調(diào)室外機(jī)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算研究

馬麗華

(廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東佛山，528311)

以某型號(hào)空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，利用ANSYS Fluent軟件,預(yù)估了風(fēng)機(jī)表面氣動(dòng)噪聲源的分布并預(yù)測(cè)了遠(yuǎn)場(chǎng)接收點(diǎn)位置噪聲特性。用數(shù)值計(jì)算的方法預(yù)測(cè)空調(diào)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲為空調(diào)風(fēng)機(jī)的降噪設(shè)計(jì)提供參考。對(duì)空調(diào)系統(tǒng)中其他部件的聲源識(shí)別和頻譜特性分析也具有一定的借鑒意義。

軸流風(fēng)機(jī)；氣動(dòng)噪聲；數(shù)值計(jì)算

0 引言

隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的要求越來越高,在注重室內(nèi)機(jī)噪音的同時(shí)對(duì)空調(diào)室外機(jī)的噪音問題的關(guān)注也日趨增高。作為空調(diào)外機(jī)核心部件之一的軸流風(fēng)機(jī)，其產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲也是引起空調(diào)室外機(jī)噪音的一個(gè)重要的噪音源。氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬計(jì)算作為噪聲研究的一種輔助手段，能夠可視化、形象化地展示聲源分布以及頻譜特性等特征，為空調(diào)風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)以及改進(jìn)提供參考依據(jù)，并且大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，節(jié)省實(shí)驗(yàn)資源，因此越來越受到重視。

1 氣動(dòng)噪聲基本理論

氣動(dòng)噪聲主要是由于葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)氣體的非穩(wěn)定流動(dòng)而導(dǎo)致的氣體與氣體以及氣體與固體壁面相互作用產(chǎn)生的噪聲。軸流風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲又稱為離散噪聲或葉片通過頻率噪聲，是由于葉輪旋轉(zhuǎn)引起葉片周期性地?cái)_動(dòng)附近的氣體產(chǎn)生。其頻率如式1：

式中：n---葉輪轉(zhuǎn)速（rpm）

Z---葉片數(shù)

i---諧波序號(hào)，i=1時(shí)為基頻，i=2,3,4，……時(shí)為高次諧音。從噪聲強(qiáng)度來看，基頻最強(qiáng)，其高次諧音的趨勢(shì)是逐漸減弱的[1]

渦流噪聲又稱為湍流噪聲或?qū)掝l噪聲，主要由于紊流邊界層、葉尖渦、旋渦脫落等引起的壓力脈動(dòng)導(dǎo)致，這些壓力脈動(dòng)呈現(xiàn)出隨機(jī)性，在頻譜圖上呈現(xiàn)明顯的連續(xù)譜，有很寬的頻率范圍[2]。

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

本文所研究的空調(diào)室外機(jī)中所使用的軸流風(fēng)機(jī)的參數(shù)為：葉輪外徑為580 mm，高度為190 mm，葉片數(shù)為3，計(jì)算模型中保留空調(diào)室外機(jī)的外殼、導(dǎo)流圈以及電機(jī)支架等其主要結(jié)構(gòu)部件，進(jìn)、出口段適當(dāng)延長以保證流動(dòng)的充分發(fā)展。仿真模型示意圖,如圖1所示。

鑒于空調(diào)室外機(jī)中所使用的軸流風(fēng)機(jī)曲面的不規(guī)則性以及整個(gè)外機(jī)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，為了降低劃分網(wǎng)格所耗費(fèi)的時(shí)間，因此，整個(gè)數(shù)值模型采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分。整個(gè)模型共生成網(wǎng)格數(shù)約500萬，其中對(duì)風(fēng)機(jī)區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，而外圍空間所劃分的網(wǎng)格則相對(duì)稀疏。

圖1 仿真模型示意圖

3 邊界及流場(chǎng)計(jì)算條件設(shè)置

穩(wěn)態(tài)流動(dòng)分析湍流模型采用Realizable k-e模型，進(jìn)出口分別采用壓力進(jìn)口和壓力出口邊界條件，風(fēng)輪區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（MRF）模型，給定轉(zhuǎn)速為850rpm，導(dǎo)流圈及其他結(jié)構(gòu)件給定標(biāo)準(zhǔn)壁面邊界條件。

穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算穩(wěn)定之后，將旋轉(zhuǎn)區(qū)域改為滑移網(wǎng)格模型（Mesh Motion）,湍流模型改為大渦模擬模型（LES）進(jìn)行瞬態(tài)流場(chǎng)模擬計(jì)算，并將穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算的結(jié)果作為進(jìn)行瞬態(tài)流動(dòng)模擬的初始條件，時(shí)間步長Δt 設(shè)定為0.000353s，根據(jù)采樣定理[3]可分析的最高頻率約為1416HZ。

4 結(jié)果分析

4.1 噪聲源分布計(jì)算結(jié)果及分析

采用Broadband模型計(jì)算噪聲源的分布，計(jì)算結(jié)束后提取風(fēng)機(jī)表面的聲功率級(jí)分布結(jié)果，如圖2所示。

從圖2風(fēng)機(jī)表面的氣動(dòng)噪聲聲功率級(jí)分布云圖可以看出，風(fēng)機(jī)表面的氣動(dòng)聲源主要分布在葉片的前緣、尾緣以及葉頂附近區(qū)域。其中葉頂附近的區(qū)域?qū)υ肼曉吹呢暙I(xiàn)最大，這是由于葉片的壓力面與吸力面之間存在壓差，使得葉頂附近存在氣流泄露，而葉頂泄露所形成的漩渦脫落所引起的[4]。葉根附近區(qū)域的流速比較低,氣流擾動(dòng)小,因此這一區(qū)域附近的聲功率級(jí)比較低，對(duì)噪聲貢獻(xiàn)度比較小。

由于氣體在吸力面的附面層容易加厚并產(chǎn)生渦流以及渦流脫落而導(dǎo)致渦流噪聲，使得在靠近葉頂區(qū)域，吸力面的聲源強(qiáng)度明顯高于壓力面。但因本文中風(fēng)輪的吸力面采用了特殊的凹圓結(jié)構(gòu)，使得吸力面的凹圓結(jié)構(gòu)區(qū)域的聲源強(qiáng)度相對(duì)比較小。

風(fēng)機(jī)的前緣附近的分離渦以及靠近尾緣的脫落渦而引起的葉片表面壓力波動(dòng)是這兩個(gè)位置聲源強(qiáng)度較大的原因。本文所涉及的風(fēng)機(jī)獨(dú)特的尾緣凹陷結(jié)構(gòu)減弱了尾緣脫落渦引起的噪聲，使得尾緣只在靠近葉頂附近的聲源強(qiáng)度有些大。

圖2 風(fēng)機(jī)表面的氣動(dòng)噪聲聲功率級(jí)分布云圖

4.2 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲計(jì)算結(jié)果及分析

首先利用大渦模擬（LES）模型求解瞬態(tài)流場(chǎng)，獲得滿足時(shí)間精度要求的壓力脈動(dòng)值，然后激活FW-H噪聲模型，計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的產(chǎn)生和傳播。獲取聲音接收點(diǎn)的壓強(qiáng)信號(hào)后應(yīng)用傅里葉變換（FFT）處理，得到遠(yuǎn)場(chǎng)接收點(diǎn)的噪聲特性。噪聲源選取風(fēng)輪，噪聲接收點(diǎn)選在風(fēng)輪出口正前方1m處。

由公式1可知，本文所模擬的軸流風(fēng)機(jī)的基頻為42.5HZ。圖3截取了軸流風(fēng)機(jī)噪音在0-500HZ的噪聲特性曲線，從圖中可以看出在風(fēng)機(jī)的基頻處峰值最高，同時(shí)在與風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)基頻成倍數(shù)關(guān)系的頻率點(diǎn)，如85HZ、127.5HZ、170HZ等頻率附近也出現(xiàn)比較高的峰值，并且這些峰值呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，說明接收點(diǎn)位置受葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)周期性地影響較大，這與理論分析的趨勢(shì)一致。

圖3 聲壓級(jí)分布圖

5 結(jié)論

（1）軸流風(fēng)機(jī)的主要噪聲源位于葉頂附近，同時(shí)在吸力面的前緣和靠近葉頂?shù)奈簿壱泊嬖谳^大功率級(jí)的聲源分布。

（2）軸流風(fēng)機(jī)接收點(diǎn)處噪音的最高峰值出現(xiàn)在42.5 HZ左右，即風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的基頻處。在其倍頻處也出現(xiàn)較明顯的峰值，且呈遞減趨勢(shì)。

（3）軸流風(fēng)機(jī)的仿真分析結(jié)果與理論分析的結(jié)果保持一致，為風(fēng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和噪聲控制提供了理論依據(jù)。同時(shí)該方法對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)中其他部件的聲源識(shí)別和頻譜分析也具有一定的參考價(jià)值。

[1]智乃剛，肖濱詩.風(fēng)機(jī)噪聲控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985，99～103.

[2]張瑜.貫流風(fēng)機(jī)內(nèi)流及氣動(dòng)噪聲分析[D].武漢:華中科技大學(xué)圖書館，2007:21～22 .

[3]王興雙.空調(diào)器室外機(jī)流場(chǎng)數(shù)值模擬及其軸流風(fēng)扇噪聲預(yù)估[D].武漢:華中科技大學(xué)圖書館，2011:21～22.

[4]仲惟燕，高峰.空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)機(jī)全流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械，2012，40（4），78～80.

Numerical Study on Aerodynamic Noise of Air-Conditioner Outdoor Fan

Ma Lihua
(GD Midea Heating&Ventilating Equipment Co.,Ltd,Foshan Guangdong,528311)

By applying an air conditioner outdoor fan as an example,the ANSYS Fluent software is used to estimate the distribution of aerodynamic noise sources on the surface of the fan and to predict the noise characteristics of the far-field receiving point. It is useful to use the numerical method to predict the aerodynamic noise of the air conditioning fan to provide reference for the noise reduction design of the air condition fan.It also has some reference for the sound source identification and spectrum characteristic analysis of other components in the air conditioning system.

Axial fan; Aerodynamic noise; Numerical analysis