船用柴油機(jī)增壓器壓氣機(jī)高效工況氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)

戴 武

渤海船舶職業(yè)學(xué)院 遼寧葫蘆島 125005

隨著船用柴油機(jī)渦輪增壓器壓氣機(jī)工作范圍不斷拓展，壓比和流量日益提高，噪聲問題也日益突出，有必要對(duì)船用增壓器壓氣機(jī)的噪聲進(jìn)行深入研究。

1 增壓器氣動(dòng)噪聲理論研究

本文主要從離散噪聲和寬頻噪聲兩方面進(jìn)行了歸納總結(jié)。（1）離散噪聲。工作葉輪與葉片擴(kuò)壓器或蝸殼互相作用，以及旋轉(zhuǎn)的葉輪與空氣周期性相互作用，使得旋轉(zhuǎn)機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的靜壓周期性變化，由此產(chǎn)生噪聲，被稱為離散噪聲。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作輪每一個(gè)葉片便會(huì)周期性通過一個(gè)固定點(diǎn)，此時(shí)便會(huì)產(chǎn)生周期性的脈動(dòng)壓力。此壓力脈沖周期與在單位時(shí)間該點(diǎn)的葉片通過數(shù)目成反比，當(dāng)對(duì)此脈動(dòng)壓力進(jìn)行傅立葉變換后，可以將連續(xù)不斷的壓力分解成一個(gè)定值的壓力和一系列以葉片通過頻率為基頻的正弦壓力的和，其壓力脈動(dòng)強(qiáng)度夠大，且其頻率在2-20000Hz范圍內(nèi)離散噪聲主要包括葉輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)靜轉(zhuǎn)子干涉噪聲和自身噪聲，通常由葉片與空氣周期性互相作用等原因引起，并且與葉片通過頻率和其諧次有關(guān)。1970年，Lowson推導(dǎo)由運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)源產(chǎn)生噪聲的計(jì)算公式，該方法將葉片離散成微元體，然后求解葉片微元上的積分，從而預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)源產(chǎn)生的聲場(chǎng)。但是葉片的離散是十分困難的，特別是風(fēng)機(jī)或壓氣機(jī)葉片在空間上是扭曲的，因此在噪聲計(jì)算過程中很容易產(chǎn)生較大誤差。此外，Lowson聲場(chǎng)公式僅僅適用于自由聲場(chǎng)，此方法無法考慮壓氣機(jī)和風(fēng)機(jī)蝸殼以及蝸舌對(duì)聲場(chǎng)的影響。Goldstein慮管道動(dòng)對(duì)噪聲的影響，推導(dǎo)出了適用于管道內(nèi)壓縮機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)的噪聲模型。（2）寬頻噪聲。高速氣體在流經(jīng)固體壁面時(shí)，由于摩擦力等作用使氣體產(chǎn)生氣流分離，而形成一系列渦。渦在生成和消失過程中會(huì)造成靜壓的波動(dòng)，同時(shí)并向周圍輻射噪聲，稱為渦流噪聲。由于此類噪聲頻率范圍比較大，通常也被稱寬頻噪聲與離散噪聲相比，寬頻噪聲產(chǎn)生的機(jī)理極為復(fù)雜，有效的消除寬頻噪聲也是十分困難的，國內(nèi)外研究人員對(duì)寬頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)僅限于利用實(shí)驗(yàn)獲得半經(jīng)驗(yàn)公式。針對(duì)軸流式葉輪機(jī)械，主要從以下四個(gè)方面對(duì)寬頻噪聲進(jìn)行研究:葉頂間隙流動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲;由旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片表面脫落漩渦而產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲；旋轉(zhuǎn)機(jī)械葉片表面氣體流動(dòng)分離而形成的氣流尾跡噪聲:進(jìn)氣氣流與葉片的互相作用而產(chǎn)生噪聲。

2 壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲特性

2.1 壓氣機(jī)聲學(xué)預(yù)測(cè)模型

聲學(xué)預(yù)測(cè)模型由壓氣機(jī)邊界元網(wǎng)格、場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格、聲學(xué)指向性網(wǎng)格以及聲源網(wǎng)格組成。壓氣機(jī)邊界元網(wǎng)格包括壓氣機(jī)進(jìn)口段、葉輪罩殼、擴(kuò)壓器兩側(cè)平壁以及蝸殼網(wǎng)格，本文主要研究壓氣機(jī)在自然進(jìn)氣狀態(tài)下的氣動(dòng)噪聲輻射特性，因此邊界元網(wǎng)格中壓氣機(jī)進(jìn)口設(shè)置為開口形式；壓氣機(jī)封頭同樣被考慮在壓氣機(jī)聲學(xué)模型中，并在聲學(xué)計(jì)算中設(shè)置為剛性壁面；壓氣機(jī)蝸殼出口連接進(jìn)氣管，而在聲學(xué)邊界元網(wǎng)格蝸殼出口封閉，且設(shè)置為無反射邊界，使聲從該面透射至外部，保證聲學(xué)模型更接近真實(shí)情況。

場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格是位于壓氣機(jī)進(jìn)口一個(gè)半徑為1m的球形包絡(luò)面計(jì)算域，其中球形域球心為壓氣機(jī)葉輪50%弦長(zhǎng)所在的軸線位置。在場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格上布置有5個(gè)聲壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)SP1-SP5，用于獲取壓氣機(jī)噪聲在空間位置的頻譜特征，同時(shí)通過5點(diǎn)總聲壓級(jí)來評(píng)價(jià)壓氣機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的噪聲水平。聲學(xué)指向性網(wǎng)格設(shè)置在XY、XZ和YZ平面上，半徑同樣設(shè)置為1m，圓心與球形域球心相同，用于分析壓氣機(jī)噪聲在空間內(nèi)的聲壓和聲強(qiáng)指向性。氣動(dòng)噪聲模擬采用混合CAA方法，首先計(jì)算壓氣機(jī)非定常流動(dòng)，并將選定聲源面的時(shí)域脈動(dòng)壓力作為聲源進(jìn)行相應(yīng)的噪聲計(jì)算。旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)表面使得噪聲主要體現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)偶極子源和空間四極子源，而離散單音噪聲主要源于偶極子源，故而本文計(jì)算時(shí)將聲源簡(jiǎn)化為偶極子。根據(jù)奈奎斯特采樣定律中的時(shí)域采樣定理，當(dāng)非定常流場(chǎng)模擬時(shí)時(shí)間步長(zhǎng)取為 5e-6s，所能計(jì)算到的噪聲最大頻率為100kHz，滿足分析需要。壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲主要噪聲源是離散單音噪聲，其主要出現(xiàn)在葉片通過頻率及其倍頻處，計(jì)算公式如下：

式中：N為轉(zhuǎn)速，Z為主葉片數(shù)。作為研究對(duì)象的壓氣機(jī)由8個(gè)主葉片，其最大轉(zhuǎn)速時(shí)涵蓋離散單音噪聲前三階峰值的頻率上限為10kHz，因此選定噪聲頻率范圍為0～10kHz。聲學(xué)計(jì)算中通常假設(shè)在最小波長(zhǎng)范圍內(nèi)有6個(gè)單元，取298K時(shí)聲速為346m/s，則對(duì)應(yīng)最高計(jì)算頻率10kHz的最大單元邊長(zhǎng)為5.7mm，因此在建立邊界面模型與場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格模型時(shí)均嚴(yán)格保證單元不大于5mm，保證計(jì)算的準(zhǔn)確度，聲學(xué)仿真計(jì)算中選擇葉輪進(jìn)口面作為聲源面，在聲學(xué)計(jì)算中使用非定常流動(dòng)計(jì)算中得到的具有穩(wěn)定周期性的時(shí)域脈動(dòng)壓力信息，經(jīng)FFT變換后簡(jiǎn)化作為偶極子源進(jìn)行噪聲計(jì)算。三個(gè)計(jì)算工況均使用2976個(gè)非定常時(shí)間步的數(shù)據(jù)，因非定常流動(dòng)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)均為 5e-6s，因此對(duì)應(yīng)的噪聲頻譜分辨率均為67.2Hz。

渦輪增壓器是廣泛應(yīng)用于車用及船用柴油機(jī)的增壓設(shè)備，它能有效的提高柴油機(jī)功率密度，改善柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、以及排放性能。隨著壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的不斷提高，流場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生高速氣流，高速氣流湍流脈動(dòng)是壓氣機(jī)噪聲的主要噪聲源，因此壓氣機(jī)氣動(dòng)噪聲問題日益突出。因此，要想滿足船舶噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)，必須解決渦輪增壓器噪聲問題，壓氣機(jī)作為渦輪增壓器的重要組成部分也是主要噪聲源之一，對(duì)其氣動(dòng)噪聲研究具有非常重要的意義。