洗掃車專用風機氣動噪聲分析與優(yōu)化設計

金開，趙增耀，陳文斐，楊含笑，劉家嫵，孫寧輝

（陜西汽車控股集團有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

前言

隨著人民生活水平的不斷提高，對環(huán)境污染的容忍度愈發(fā)降低，噪聲污染嚴重影響居民的生活品質(zhì)。洗掃車作為一種廣泛使用的環(huán)衛(wèi)機械，更應該適應市場不斷提高的污染控制環(huán)保指標。

風機是洗掃車氣力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，也是主要噪聲源，其氣動噪聲對洗掃車整車作業(yè)性能具有重要的影響。某型洗掃車作業(yè)噪聲超標，如何降低風機的氣動噪聲成為亟待解決的問題。

目前，隨著計算流體動力學（CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在許多工業(yè)領(lǐng)域得以應用。運用 CFD 方法對流體機械內(nèi)部流場進行數(shù)值計算分析，已經(jīng)逐漸成為一種重要的技術(shù)手段。

本論文將從數(shù)值分析的角度，利用 ANSYS Fluent軟件，研究洗掃車專用離心風機的結(jié)構(gòu)對風機性能及噪聲的影響，同時對數(shù)值分析的可靠性、準確度進行驗證，以期達到降低風機氣動噪聲的目的。

1 數(shù)值計算方法

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

目前，洗掃車專用風機大多為前向離心風機。前向式風機的優(yōu)點是風壓高，當產(chǎn)生相同風壓時，可以有較低的葉輪外徑或較低的轉(zhuǎn)速。前向離心風機的葉片彎曲程度較大，同時流道比較短，因此，在葉片出口端，易出現(xiàn)的“射流-尾跡”流動形態(tài)以及二次流動、脫體渦等現(xiàn)象，造成流體能量損失，引起振動，產(chǎn)生氣動噪聲。后向離心風機的葉片彎曲度較小，并且流道比較長，流體在葉輪出口絕對速度小，因此，流體能量損失小、效率高、噪聲低，但后向風機風壓較小，產(chǎn)生相同的風壓時，需要較大的葉輪外徑或較高的轉(zhuǎn)速。

研究的某型號洗掃車專用風機為離心式前向風機(原始結(jié)構(gòu))，其主要結(jié)構(gòu)如圖 l（a）所示。在不改變?nèi)~片進、出口角度，葉片長度、寬度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，將葉片由向前彎曲改為向后彎曲，如圖l（b）所示。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2 計算域網(wǎng)格

采用三維建模軟件 CATIA進行實體建模，運用hypermesh軟件劃分網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時，將整個計算域分為進口延長段、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域和出口延長段五個部分，其中進口延長段為進口直徑的5倍，出口延長段為出口直徑的10倍，以使湍流充分發(fā)展?？紤]到進口延長段和出口延長段幾何結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，采用六面體進行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計算域，以提高計算精度，縮短數(shù)值求解時間；為適應葉輪及蝸殼內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的復雜性，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生劃分葉輪及蝸殼計算域，以提高網(wǎng)格適應性。考慮到蝸舌區(qū)域?qū)︼L機性能至關(guān)重要，對蝸舌壁面附近的網(wǎng)格進行了加密處理。模型各計算域網(wǎng)格數(shù)分別為：進口區(qū)域14萬，葉輪區(qū)域45萬，蝸殼區(qū)域38萬，出口區(qū)域16萬，總網(wǎng)格數(shù)量113萬。將在hypermesh中建立的三維網(wǎng)格模型以.cas的文件格式輸出，然后導入到Fluent軟件中進行計算求解。

1.3 控制方程及湍流模型

洗掃車專用風機的內(nèi)部流動是三維黏性不可壓縮流動，遵循物理守恒定律，控制方程包括連續(xù)性方程和動量方程。

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

式中：p為壓力，V為速度，ρ為密度，μ為湍流黏性系數(shù)。動量方程左端代表單位體積流體的慣性力，右端第一項表示單位體積流體的質(zhì)量，第二項表示單位體積流體的壓力梯度，第三項代表黏性變形應力，第四項代表黏性膨脹應力。

采用雷諾時均NS方法（RANS）求解控制方程。RANS方法是工業(yè)流動計算中使用最廣泛的一種方法，其求解時間均值的NS方程。選用RNGk-ε湍流模型，該模型適于求解曲率較大、較強壓力梯度、分離流、二次流以及旋流等復雜流動。

考慮到 RNGk-ε湍流模型是高雷諾數(shù)湍流模型，對于充分發(fā)展的湍流才有效。在臨近壁面的位置，法向速度存在非常大的速度梯度，流體黏性力的作用與慣性力相當，流動雷諾數(shù)較低，所以高雷諾數(shù)湍流模型不能直接適用于近壁面附近區(qū)域的流場計算。針對近壁面流動區(qū)域，使用增強壁面函數(shù)處理。

FW-H噪聲計算模型屬于聲源與聲傳播分離計算方法，假定聲源已知，將流體流動與流體聲傳播分離計算，忽略流體流動與聲傳播之間的相互作用。采用定常計算流場解為非定常流場計算的初始條件，以非定常流場分布為基礎計算風機遠場聲壓級。

1.4 邊界條件與算法

定常計算時采用“多重坐標系”(MRF)模型耦合動靜部分區(qū)域，即葉輪區(qū)域為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標系，流體給定相應的旋轉(zhuǎn)速度；其余區(qū)域為靜止區(qū)域，采用靜止坐標系。定義所有的葉片表面，葉輪前、后盤面為旋轉(zhuǎn)壁面，給定相對葉輪計算域旋轉(zhuǎn)速度為零；定義蝸殼壁面、進出口區(qū)域壁面為靜止壁面；旋轉(zhuǎn)壁面和靜止壁面均滿足無滑移邊界條件。定義進口延長段的進口截面為整個計算域的進口，設定進口速度 25m/s；出口延長段的出口截面為整個計算域的出口，設定出口靜壓力為一個大氣壓。

數(shù)值離散方法采用有限體積法，壓力-速度耦合關(guān)系采用SIMPLE算法，湍動能、耗散率、動量方程的離散采用二階迎風格式。

作定常計算，取殘差小于1×10-4時認為計算收斂，然后將定常計算的結(jié)果作為非定常計算的初始化數(shù)據(jù)，進行非定常計算。非定常計算采用“滑移網(wǎng)格”(moving mesh)模型耦合動靜部分區(qū)域。葉片在葉輪內(nèi)沿圓周均勻分布，且轉(zhuǎn)速恒定，計算時間步長取0.002s。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 數(shù)值計算方法驗證

對洗掃車專用風機原始在不同工況下的P-Q特性進行數(shù)值預測，與實驗結(jié)果對比，如圖3所示。

圖3 數(shù)值與實驗對比

從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果的與實驗結(jié)果變化趨勢一致，吻合良好，全壓平均誤差在 14%左右，計算精度符合工程要求，較準確預測了洗掃車專用風機的氣動性能，為后續(xù)風機氣動噪聲分析奠定了基礎。

2.2 流場對比分析

分別對原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)風機在額定工況下（轉(zhuǎn)速2200rev/min）的氣動性能進行計算。截取葉輪中面的壓力云圖，如圖4所示；流線圖，如圖5所示；渦核云圖，如圖6所示。

圖4 葉輪中截面靜壓云圖

圖5 葉輪中截面流線圖

圖6 葉輪中截面渦核圖

由圖4靜壓云圖可知，葉片壓力面呈現(xiàn)高靜壓狀態(tài)，吸力面呈現(xiàn)負壓狀態(tài)。壓力面對氣體做功，向外輸送氣流，吸力面因氣流外流而形成真空，外界空氣在大氣壓的作用下流入葉輪。葉輪內(nèi)部的壓力分布正是風機工作原理的體現(xiàn)。蝸舌附近出現(xiàn)低壓渦流區(qū)，說明蝸舌對氣流產(chǎn)生強烈的擾動，形成漩渦，圖5蝸殼附近的流線分布也說明這一點。

原始結(jié)構(gòu)流線圖中，葉輪出口氣流加速，說明出口存在回流，堵塞流道，使得專用風機的氣動性能降低；原始結(jié)構(gòu)中，葉片壓力面出口附近，存在高速的射流結(jié)構(gòu)，而在吸力出口面附近，出現(xiàn)速度較小的尾流區(qū)，葉片出口端形成脫體渦。漩渦區(qū)的存在造成內(nèi)流通道有效流通面積狹窄，形成嚴重氣流堵塞和壓力脈動，導致嚴重的流動損失。改進結(jié)構(gòu)葉輪流道無明顯“射流-尾流”結(jié)構(gòu)存在，絕大部分流道的流線緊貼葉片表面流動，流線分布均勻，流場順暢。

由圖6可以看到，原始結(jié)構(gòu)葉片流道渦核分布極不均勻：蝸舌附近的葉片流道充滿了漩渦，堵塞流道，其它流道零散分布著渦核，同時，渦流幾乎占據(jù)了全部的蝸殼流域。優(yōu)化結(jié)構(gòu)葉輪流域的漩渦基本都分布在葉片壓力面上，整體布局均勻，不存在明顯的局部堵塞區(qū)域，優(yōu)化后的葉輪氣動性能優(yōu)于原始葉輪。

2.3 氣動噪聲對比分析

以額定工況下風機流場的定常解為初始條件計算風機非定常流場分布，以此為前提，結(jié)合F-WH聲比擬模型計算風機遠場噪聲，取距離蝸殼一米處為噪聲監(jiān)測點，如圖7所示。用快速傅里葉變換（FFT）將監(jiān)測點的時域信息轉(zhuǎn)換成頻率特性，對比分析原始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)風機的氣動噪聲，見圖8、圖9。

圖7 遠場噪聲監(jiān)測點

由圖8、9可知，監(jiān)測點的聲壓級連續(xù)分布在寬闊的頻率范圍內(nèi)，體現(xiàn)渦流噪聲的特點。渦流噪聲是由于葉片表面邊界層脫離，產(chǎn)生的流動壓縮和稀疏，以聲波的形式傳播而形成，這些渦流不論是在葉輪流域或蝸殼流域都是無規(guī)則的產(chǎn)生、發(fā)展和衰減，因此渦流噪聲具有廣泛的頻率帶。

圖8 原始結(jié)構(gòu)監(jiān)測點聲壓級曲線

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)監(jiān)測點聲壓級曲線

蝸舌與葉片出口邊緣間的間隙較小，旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠過蝸舌處時，會出現(xiàn)周期性的壓力脈動，繼而產(chǎn)生與葉輪轉(zhuǎn)速有關(guān)的離散噪聲。原始結(jié)構(gòu)風機與優(yōu)化結(jié)構(gòu)風機的噪聲最大值都出現(xiàn)在102Hz處，說明此頻率是與風機轉(zhuǎn)速密切相關(guān)的離散噪聲頻率。噪聲峰值的出現(xiàn)正是離散噪聲與渦流噪聲疊加的結(jié)果。優(yōu)化后的風機監(jiān)測點氣動噪聲峰值較原風機由106dB下降到99dB，降噪幅度達到8.5%，實現(xiàn)了洗掃車專用風機降噪目標。

洗掃車風機依靠進氣流速和吸力吸取路面灰塵、垃圾，而風機出口氣流直接排入大氣，因此，洗掃車對風機的性能需求主要體現(xiàn)在效率和流量上，而對風機全壓要求相對不高，所以低壓、高效、低噪的后向離心風機更適合洗掃車。

3 結(jié)論

通過建立洗掃車專用風機三維模型，運用商用軟件ANSYS Fluent對風機進行三維流場瞬態(tài)數(shù)值計算，對比分析了原始風機與優(yōu)化風機的流場分布和氣動噪聲等級，得出以下結(jié)論：

（1）葉片彎曲方向?qū)ο磼哕噷Ｓ蔑L機性能有較大的影響，相比前向離心風機，后向風機葉輪流道的“射流-尾跡”流動結(jié)構(gòu)顯著減小，絕大部分流道的流線緊貼葉片表面流動，流線分布均勻，流場順暢。

（2）在葉輪外徑以及葉片長度、寬度等參數(shù)相同的前提下，后向離心風機較前向風機氣動噪聲小，流場更均勻，效率更高。洗掃車風機更加關(guān)注效率和流量，而對全壓要求相對不高，因此，后向離心風機能更好的適應洗掃車工況。

（3）利用商用CFD軟件仿真模擬能達到工程實踐要求的計算精度，可以替代某些實驗，極大地縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。