離心風(fēng)機(jī)振動(dòng)噪聲及壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

蔡建程 鄂世舉 蔣永華 焦衛(wèi)東 王冬云

浙江師范大學(xué)工學(xué)院，金華，321004

0 引言

管道流動(dòng)廣泛存在于能源動(dòng)力、機(jī)械工程、石油化工、暖通空調(diào)、航空航天、船舶海洋、農(nóng)業(yè)工程等眾多領(lǐng)域。管道流動(dòng)經(jīng)常由泵、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)等流體機(jī)械驅(qū)動(dòng)。流體機(jī)械出口的非定常流動(dòng)(如往復(fù)式流體機(jī)械周期性排氣、葉輪式流體機(jī)械葉輪出口的射流——尾跡)將在下游管道中產(chǎn)生壓力波動(dòng)，進(jìn)而造成管路系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲[1-2]。

流體機(jī)械出口非定常流場(chǎng)一方面在管道內(nèi)向下游流動(dòng)，所到之處產(chǎn)生流體動(dòng)力性壓力脈動(dòng)即偽聲(pseudo sound)[3]；另一方面非定常流動(dòng)的速度、壓力脈動(dòng)分別是氣動(dòng)或水動(dòng)噪聲的四極子源和偶極子源，它們產(chǎn)生聲波，聲波在管內(nèi)向上游及下游傳播[4]。通常,偽聲強(qiáng)度比聲波強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)(管內(nèi)發(fā)生聲共鳴情況除外)，且能對(duì)結(jié)構(gòu)注入大量激勵(lì)能量，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)并對(duì)環(huán)境輻射噪聲。按這一思路，JIANG等[5]對(duì)離心泵在內(nèi)部非定常流場(chǎng)激勵(lì)下的泵殼受迫振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值研究。

單獨(dú)流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)、壓力脈動(dòng)及相關(guān)流動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)的研究相當(dāng)多，包括計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)仿真和實(shí)驗(yàn)研究。JAFARZADEH等[6]用標(biāo)準(zhǔn)k?-ε?、RNG?k?-ε?和RSM湍流模型計(jì)算了離心泵的內(nèi)部流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)RNG?k?-ε?模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)最為接近。張兄文等[7]用標(biāo)準(zhǔn)k?-ε?兩方程模型對(duì)離心泵葉輪內(nèi)變流量流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。蔡建程等[8]曾對(duì)某離心泵在變轉(zhuǎn)速工況下隔舌處壓力脈動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。周佩劍等[9]對(duì)旋轉(zhuǎn)失速條件下離心泵葉輪壓力脈動(dòng)特性進(jìn)行了研究。KHALIFA等[10]實(shí)驗(yàn)研究了不同流量下泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)與泵體振動(dòng)的聯(lián)系。袁壽其等[11]和劉厚林等[12]則用CFD結(jié)合Lighthill聲類(lèi)比理論數(shù)值預(yù)測(cè)了泵內(nèi)偶極子水動(dòng)噪聲。

人們對(duì)流體機(jī)械相連的管內(nèi)壓力脈動(dòng)進(jìn)行了研究。BODEN等[13]將管道系統(tǒng)中的流體機(jī)械建模成1端、2端等效聲源，對(duì)管道中的壓力脈動(dòng)進(jìn)行了理論研究。徐斌等[14]通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)分析了往復(fù)式壓縮機(jī)出口管路內(nèi)的壓力脈動(dòng)，表明一維平面波動(dòng)方程可以比較準(zhǔn)確地計(jì)算出氣柱固有頻率及壓力脈動(dòng)。周紅等[15]分析了管道內(nèi)流的連續(xù)方程及運(yùn)動(dòng)方程，推導(dǎo)了管道內(nèi)壓力脈動(dòng)的一維聲波方程，并用駐波法進(jìn)行了求解。CHEONG等[16]用一維聲學(xué)理論研究了泵引起的管道內(nèi)壓力脈動(dòng)。上述研究使用一維聲學(xué)理論研究管內(nèi)壓力脈動(dòng)，沒(méi)有關(guān)注流體機(jī)械出口管道內(nèi)的流體動(dòng)力性壓力脈動(dòng)(即偽聲)。

由上述文獻(xiàn)可知，單獨(dú)離心式流體機(jī)械的內(nèi)部流動(dòng)、流體機(jī)械管道系統(tǒng)一維聲學(xué)壓力模型的研究都已相當(dāng)廣泛，而離心式流體機(jī)械非定常流動(dòng)引起的管道內(nèi)流體動(dòng)力性壓力脈動(dòng)研究較少。由文獻(xiàn)[2]可知，單獨(dú)流體機(jī)械的內(nèi)部流動(dòng)CFD仿真較成熟，但通過(guò)整體計(jì)算流體機(jī)械及管道系統(tǒng)內(nèi)部非定常流動(dòng)求得壓力脈動(dòng)還比較困難，計(jì)算規(guī)模龐大。本文針對(duì)某一離心風(fēng)機(jī)下游管道的振動(dòng)噪聲及內(nèi)部壓力脈動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)介紹

實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)為多翼離心式風(fēng)機(jī)，葉片數(shù)Z?=36，葉輪轉(zhuǎn)速n?=2 600 r/min，風(fēng)量Q?=5.5 m3/min。旋轉(zhuǎn)頻率(RF)為n?/60=43.3 Hz，葉片通過(guò)頻率(BPF)為Zn?/60=1 560 Hz。風(fēng)機(jī)出口經(jīng)法蘭連接到邊長(zhǎng)為100 mm的方形橫截面有機(jī)玻璃管道內(nèi)，管壁厚度為3 mm。按水力直徑的定義4A?/P?(A?為橫截面積、P?為潤(rùn)濕周長(zhǎng))，該方管的水力直徑D?=94 mm。法蘭長(zhǎng)度為0.5D?，風(fēng)機(jī)下游所接總管長(zhǎng)為20.5D?。風(fēng)機(jī)及管道的主要尺寸見(jiàn)圖 1。根據(jù)流量Q?及方管截面積得到管內(nèi)體積速度為v?b=Q?/A?=10.4 m/s。

圖 2為實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片，其中振動(dòng)加速度計(jì)使用4394壓電式傳感器，傳聲器為MPA201。振動(dòng)和聲學(xué)傳感器連接到OR36 24位多通道數(shù)據(jù)記錄儀中。兩個(gè)振動(dòng)傳感器分別安裝在管道上離風(fēng)機(jī)出口6.5D?及14.5D?的位置。兩個(gè)傳聲器安裝在距離風(fēng)機(jī)進(jìn)口及管道出口50 cm、偏離軸線45°處。按風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，傳聲器應(yīng)放置離進(jìn)出口1 m的位置，考慮到噪聲測(cè)量未能在消聲室中進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)將傳聲器放在離進(jìn)出口較近的位置，以減小外界對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量的影響。

(a)實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)

(b)管道圖1 實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)及管道Fig.1 Test fan and duct

圖2 振動(dòng)噪聲及壓力脈動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Test rig for vibration, noise andpress fluctuation measurement

為了進(jìn)行管內(nèi)壓力脈動(dòng)測(cè)量，在直管上表面中心線以及角邊線上，從距離風(fēng)機(jī)出口1D?到20D?范圍內(nèi)以水力直徑D?為間距鉆φ4 mm的孔?？紤]到風(fēng)機(jī)出口附近流場(chǎng)較紊亂，在出口附近的1.5D?及2.5D?處也設(shè)置測(cè)點(diǎn)。另外在風(fēng)機(jī)內(nèi)部布置測(cè)點(diǎn)，位置見(jiàn)圖1中風(fēng)機(jī)上的測(cè)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，距離葉輪出口4 mm，傳感器與蝸殼內(nèi)壁面平齊。

使用XTL-140M-1D超小型壓力傳感器和PXI-4220 16位數(shù)據(jù)采集卡搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。壓力傳感器探頭直徑2.54 mm，側(cè)表面帶M3.5的外螺紋。傳感器帶KAA-B-1B放大器，后置4個(gè)接線頭，其中兩線頭接12V電源以獲得供電，另外兩線頭為信號(hào)輸出端分別接到PXI-4220數(shù)據(jù)采集卡對(duì)應(yīng)接頭上。在LabVIEW中編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集程序，用以采集及保存?zhèn)鞲衅鞯碾妷狠敵鲂盘?hào)，根據(jù)KULITE公司標(biāo)定的傳感器靈敏度，轉(zhuǎn)換得到壓力脈動(dòng)。采樣頻率設(shè)為10.24 kHz。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 振動(dòng)噪聲特性

管道振動(dòng)的頻譜如圖3所示，可以看出振動(dòng)譜中與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)相關(guān)的離散譜明顯，離風(fēng)機(jī)出口較近的x?=6.5D?處振動(dòng)幅度大于14.5D?處的振動(dòng)幅度，因?yàn)殡x風(fēng)機(jī)較近。x?=6.5D?處頻譜中旋轉(zhuǎn)頻率振動(dòng)幅度最大。頻譜中除了旋轉(zhuǎn)頻率諧波分量外，還存在非整數(shù)倍離散分量，這可能歸因于結(jié)構(gòu)固有頻率。

(a)x?=6.5D?

(b)x?=14.5D?圖3 管道振動(dòng)頻譜Fig.3 Spectra of duct structural vibration

(a)風(fēng)機(jī)進(jìn)口側(cè)

(b)管道出口側(cè)圖4 風(fēng)機(jī)進(jìn)口側(cè)及管道出口側(cè)噪聲頻譜Fig.4 Spectra of noise at the fan inlet and duct outlet

2.2 壓力脈動(dòng)及其與振動(dòng)噪聲的相關(guān)性

2.2.1系統(tǒng)測(cè)量誤差

在測(cè)量管道壓力脈動(dòng)前，先對(duì)系統(tǒng)測(cè)量誤差進(jìn)行核對(duì)。在不啟動(dòng)風(fēng)機(jī)的情況下，進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，結(jié)果表明壓力傳感器的RMS值在1.75 Pa左右。下文中，風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的壓力脈動(dòng)RMS值在數(shù)十Pa的量級(jí)上，除了管道末端的3個(gè)測(cè)點(diǎn)，壓力脈動(dòng)系統(tǒng)整體測(cè)量誤差范圍能控制在5%以?xún)?nèi)。

2.2.2壓力脈動(dòng)頻譜特性

風(fēng)機(jī)內(nèi)4個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)功率譜密度如圖5如示，其中頻譜中旋轉(zhuǎn)頻率及其低次諧波分量突出，葉片通過(guò)頻率分量在圖中也可見(jiàn)但不顯著。寬頻壓力脈動(dòng)強(qiáng)度比離散頻率小一個(gè)量級(jí)左右，且在整個(gè)頻率范圍內(nèi)基本保持不變，說(shuō)明風(fēng)機(jī)葉輪出口附近氣流擾動(dòng)較大。

管道內(nèi)距風(fēng)機(jī)出口x?=4D?處的壓力脈動(dòng)也顯示在圖5中，以便與風(fēng)機(jī)內(nèi)壓力脈動(dòng)進(jìn)行比較?？梢钥闯?，旋轉(zhuǎn)頻率的壓力脈動(dòng)分量非常明顯，與風(fēng)機(jī)內(nèi)部具有相同量級(jí)；旋轉(zhuǎn)頻率的諧波分量也可見(jiàn)。隨著頻率提高，寬頻壓力脈動(dòng)衰減迅速，這與風(fēng)機(jī)內(nèi)的情況不同。葉片通過(guò)頻率壓力脈動(dòng)也有所減小，表明風(fēng)機(jī)出流的高頻壓力脈動(dòng)沿下游管道有明顯減小，這歸因于氣流在管道中趨于均勻。

(a)風(fēng)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)1

(b)風(fēng)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)2

(c)風(fēng)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)3

(d)風(fēng)機(jī)內(nèi)測(cè)點(diǎn)4

(e)管道測(cè)點(diǎn)圖5 壓力脈動(dòng)功率譜密度Fig.5 Power spectrum density of pressure fluctuations

2.2.3壓力脈動(dòng)與振動(dòng)噪聲的相關(guān)性分析

為了分析壓力脈動(dòng)與風(fēng)機(jī)噪聲、管道振動(dòng)的聯(lián)系，對(duì)管道測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)與噪聲、振動(dòng)信號(hào)的相干函數(shù)進(jìn)行預(yù)估，結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯?，在旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波分量、葉片通過(guò)頻率處的相干函數(shù)值基本在0.5以上，表明離散頻率下噪聲、振動(dòng)與壓力脈動(dòng)聯(lián)系緊密。寬頻振動(dòng)噪聲與壓力脈動(dòng)的相干函數(shù)值較小，表明寬頻噪聲與振動(dòng)所受的影響因素較多。

(a)管道壓力脈動(dòng)與風(fēng)機(jī)進(jìn)口噪聲

(b)管道壓力脈動(dòng)與管道出口噪聲

(c)管道壓力脈動(dòng)與管道振動(dòng)1

(d)管道壓力脈動(dòng)與管道振動(dòng)2圖6 壓力脈動(dòng)與噪聲、振動(dòng)的相干函數(shù)Fig.6 Coherence of pressure fluctuationswith noise and vibration

2.3 風(fēng)機(jī)管道內(nèi)壓力脈動(dòng)的特性分析

2.3.1壓力脈動(dòng)整體幅度的變化特性

為研究風(fēng)機(jī)下游管道內(nèi)壓力脈動(dòng)的分布特性，移動(dòng)傳感器測(cè)得管道內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)。各個(gè)測(cè)點(diǎn)傳感器探頭伸入深度h?分別為7.5 mm、5.0 mm、2.5 mm和0(與壁面平齊)。壓力脈動(dòng)減去直流分量的RMS值再除以參考?jí)毫?r(p?r=63.81 Pa)得到量綱一強(qiáng)度，頻率除以旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行量綱一化。

(a)中間排

(b)角邊排圖7 風(fēng)機(jī)下游管道內(nèi)壓力脈動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.7 Strength of pressure fluctuations in downstream duct

2.3.2壓力脈動(dòng)頻譜特性

為了進(jìn)一步研究風(fēng)機(jī)下游管道的壓力脈動(dòng)特性，本文對(duì)各測(cè)量時(shí)域信號(hào)進(jìn)行Fourier變換以分析其頻譜特性。圖 8、圖 9顯示了若干點(diǎn)處壓力脈動(dòng)頻譜：距離風(fēng)機(jī)出口x?=1D?(管道入口段)、距離風(fēng)機(jī)出口x?=14D?(充分發(fā)展段)，以及旋轉(zhuǎn)頻率(RF)分量最大值所在位置。從圖中可以看出，管內(nèi)壓力脈動(dòng)頻譜特性離散頻率分量不及振動(dòng)及噪聲譜中豐富，頻譜中主要以旋轉(zhuǎn)頻率及其3次、5次諧波這3個(gè)窄帶分量突出，其中旋轉(zhuǎn)頻率分量最大。與振動(dòng)噪聲不同，壓力脈動(dòng)的葉片通過(guò)頻率分量不明顯。

為了進(jìn)一步研究旋轉(zhuǎn)頻率壓力脈動(dòng)，圖 10顯示了其幅度隨距離變化情況?？梢钥闯觯D(zhuǎn)頻率壓力脈動(dòng)在距風(fēng)機(jī)出口2D?～4D?附近達(dá)到最大，其值可達(dá)參考動(dòng)壓的25%左右，超過(guò)5D?后壓力脈動(dòng)呈下降趨勢(shì)，在方管出口附近x?=19D?處已降到參考動(dòng)壓的3%左右。方管出口處氣流擴(kuò)散到環(huán)境中，其壓力變?yōu)榇髿鈮海瑲饬髅}動(dòng)幅度將會(huì)明顯下降，這可從圖 10中x?=20D?(距方管出口0.5D?)處的脈動(dòng)值看出。

3 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了離心風(fēng)機(jī)噪聲、管道振動(dòng)及壓力脈動(dòng)，研究了離心式流體機(jī)械管道內(nèi)部壓力脈動(dòng)及其引發(fā)管道振動(dòng)噪聲特性，得到如下結(jié)論。

(2)風(fēng)機(jī)內(nèi)部壓力脈動(dòng)中旋轉(zhuǎn)頻率分量及其低次諧波、葉片通過(guò)頻率分量突出。寬頻壓力脈動(dòng)強(qiáng)度比離散頻率小1個(gè)數(shù)量級(jí)左右，且在整個(gè)頻率范圍內(nèi)基本保持不變。管道壓力脈動(dòng)中，旋轉(zhuǎn)頻率分量非常明顯，大小與風(fēng)機(jī)內(nèi)部的相當(dāng)。

(a)h?=7.5 mm,x?=1D? (b)h?=0,x?=1D? (c)h?=7.5 mm,x?=3D?

(d)h?=0,x?=4D? (e)h?=7.5 mm,x?=14D? (f)h?=0,x?=14D?圖8 中間排壓力脈動(dòng)頻譜特性Fig.8 Spectra of pressure fluctuations along the central line of the duct

(a)h?=7.5 mm,x?=1D? (b)h?=0,x?=1D? (c)h?=7.5 mm,x?=2.5D?

(d)h?=0,x?=2.5D? (e)h?=7.5 mm,x?=14D? (f)h?=0,x?=14D?圖9 角邊排壓力脈動(dòng)頻譜特性Fig.9 Spectra of pressure fluctuations along the corner line of the duct

(a)中間排

(b)角邊排圖10 旋轉(zhuǎn)頻率分量壓力脈動(dòng)的幅度分布Fig.10 Amplitudes of pressure fluctuationsat the rotational frequency

隨著頻率提高，寬頻壓力脈動(dòng)衰減迅速。離散頻率處壓力脈動(dòng)與風(fēng)機(jī)噪聲、管道振動(dòng)的相干函數(shù)值基本在0.5以上，表明在這些頻率處壓力脈動(dòng)決定噪聲、振動(dòng)。寬頻振動(dòng)噪聲與壓力脈動(dòng)的相干函數(shù)值較小，表明寬頻振動(dòng)噪聲所受影響因素較多。

(3)管道內(nèi)壓力脈動(dòng)最強(qiáng)烈的地方主要集中在距離風(fēng)機(jī)出口5D?(D?為管道水力直徑)的范圍內(nèi)，最大脈動(dòng)強(qiáng)度與參考動(dòng)壓相當(dāng)。在這一段管道，內(nèi)部的壓力脈動(dòng)大于管壁的壓力脈動(dòng)。距離風(fēng)機(jī)出口10D?以后，壓力脈動(dòng)值約為參考動(dòng)壓的20%左右，同一測(cè)點(diǎn)不同深度處的壓力脈動(dòng)強(qiáng)度很接近，表明10D?以后管道內(nèi)流場(chǎng)已趨于均勻。對(duì)比風(fēng)機(jī)噪聲的聲壓，得知該段管道內(nèi)壓力脈動(dòng)幅度比聲壓幅度大2個(gè)數(shù)量級(jí)。

(4)管內(nèi)壓力脈動(dòng)頻譜中離散分量不及振動(dòng)噪聲頻譜中的豐富，旋轉(zhuǎn)頻率分量最為突出，其3次、5次諧波明顯，葉片通過(guò)頻率分量并不顯著。旋轉(zhuǎn)頻率分量脈動(dòng)在離風(fēng)機(jī)出口2D?～4D?附近達(dá)到最大，其值可達(dá)參考動(dòng)壓的25%左右，超過(guò)5D?后壓力脈動(dòng)呈下降趨勢(shì)，在方管出口附近(19D?處)已經(jīng)下降到參考動(dòng)壓的3%左右。