礦用對旋式局部通風(fēng)機仿鸮葉片降噪性能研究

陳慶光，李曉凱

(山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

礦用對旋式局部通風(fēng)機是用于井下局部地點如巖層斷面或煤巷掘進工作面進行通風(fēng)換氣的重要設(shè)備，但由于其高噪聲對有限的工作面空間造成嚴(yán)重的污染，惡化了工人的作業(yè)環(huán)境。因此，如何提高局部通風(fēng)機的聲學(xué)性能，降低其運行噪聲，一直是該研究領(lǐng)域的熱點問題。

針對風(fēng)機氣動噪聲的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的數(shù)值計算及實驗研究。JARON et al[1]以一臺對旋軸流式風(fēng)機為模型，對鋸齒形葉片的深度和數(shù)目進行了優(yōu)化并對其降噪效果進行了評價，結(jié)果表明，尾緣鋸齒可以有效地降低氣動噪聲。HAN et al[2]用LES(large eddy simulation)方法研究了尾翼鋸齒對NACA 0012翼型零攻角湍流流動的影響，結(jié)果表明，鋸齒作用成功減小了翼型在尾緣邊緣的壓力波動，這種壓力變化有助于減小氣動噪聲。AVALLONE et al[3]研究了一種新型的曲線尾緣鋸齒的遠(yuǎn)場噪聲和流場，將新設(shè)計的鋸齒結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋸齒設(shè)計相比較，研究發(fā)現(xiàn)，近壁面速度分布和表面壓力波動較鋸齒結(jié)構(gòu)影響較小，新型曲線尾緣鋸齒的氣動性能變化不大，并且降噪效果比傳統(tǒng)鋸齒要好。JONES et al[4]實驗研究表明，鋸齒狀前緣與初始葉片結(jié)構(gòu)相比渦流噪聲降低了1.4 dB，但氣動性能有所降低。CHEN et al[5]對比貓頭鷹與普通禿鷹翅膀羽毛的聲抑制特性，結(jié)果表明，貓頭鷹翅膀具有鋸齒狀前緣、后緣條紋邊緣和絨狀翼面3種特殊的特性，這比普通禿鷹具有更好的無聲飛行效果。JUKNEVICIUS et al[6]研究了加裝前緣鋸齒對稱NACA 0008翼型對氣動性能的影響，研究結(jié)果論證了如果進行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，加裝前緣鋸齒在降低相互作用寬帶噪聲和抑制大角度攻角邊界層分離方面都是非常有效的。因此可以得出，葉片前后緣的改進對一些特定狀態(tài)下的風(fēng)機氣動性能的改善、降低風(fēng)機噪聲具有重要意義。

現(xiàn)有研究表明，鸮類在漫長的進化過程中形成了近乎無聲的飛行，這種狀態(tài)有利于其捕食或躲避天敵。LIU et al[7]的研究表明，鸮類能夠靜音飛行是因為鸮類翅膀具有特殊的生物結(jié)構(gòu)：圓弧齒狀非光滑前緣、鋸齒狀尾羽、前緣和尾緣凸起構(gòu)成的脊以及整體蓬松狀近乎絨羽形態(tài)的胸羽。宮武旗等[8]設(shè)計并試驗研究了兩組不同形狀和大小的鋸齒尾緣對風(fēng)機氣動噪聲的影響規(guī)律，結(jié)果表明，這兩組鋸齒尾緣都能夠改善風(fēng)機噪聲，其中正弦型鋸齒較正三角形鋸齒效果更好。劉小民等[9]將前緣波形結(jié)構(gòu)耦合尾緣齒形結(jié)構(gòu)的仿生葉片應(yīng)用于風(fēng)機并進行了數(shù)值分析和試驗驗證，結(jié)果表明，采用多元耦合仿生葉片可以在保證風(fēng)機氣動性能的基礎(chǔ)上降低噪聲1.5 dB.WANG et al[10]基于NACA 0012翼型剖面提出了一種波形前緣、鋸齒后緣和表面脊線的仿生翼型，結(jié)果表明，仿生結(jié)構(gòu)有效降低了翼型周圍的脫落渦噪聲。

綜上所述，已有的研究[11-15]主要是針對仿生葉片單一結(jié)構(gòu)特征的降噪性能進行的，而在不顯著降低風(fēng)機氣動性能的前提下，對多種仿生結(jié)構(gòu)特征共同作用下的葉片降噪性能的研究還很不充分。

本文針對一臺礦用對旋式局部通風(fēng)機，應(yīng)用Lighthill聲學(xué)理論和LES方法，研究了葉片原始結(jié)構(gòu)和多種仿生結(jié)構(gòu)共同作用下的葉片降噪機理。在保證不顯著降低風(fēng)機氣動性能的情況下，對比分析了3種仿生葉片結(jié)構(gòu)的降噪效果。

1 原始葉片和仿生葉片結(jié)構(gòu)

圖1給出了風(fēng)機原始葉片結(jié)構(gòu)、鋸齒狀后緣仿生葉片結(jié)構(gòu)1、圓齒狀前緣仿生葉片結(jié)構(gòu)2和鋸齒狀后緣加圓齒狀前緣的仿生葉片結(jié)構(gòu)3.原始葉片采用NACA 65-010翼型。

圖1 原始葉片結(jié)構(gòu)和仿生葉片結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural models of original and bionic blades

圖2為仿生葉片前后緣結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿生模型后緣鋸齒齒高5 mm，鋸齒角為90°；前緣圓齒齒高7.12 mm，齒寬30 mm，3種仿生模型的鋸齒單元體和圓齒單元體的尺寸參數(shù)一致。

圖2 仿生葉片前后緣結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：mm)Fig.2 Structural parameters of leading edge and trailing edge of a bionic blade(unit:mm)

2 計算模型及網(wǎng)格劃分

2.1 計算模型

以一臺對旋式局部通風(fēng)機為研究對象，主要結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(shù)見表1.

表1 對旋局部通風(fēng)機的主要設(shè)計參數(shù)Table 1 Main design parameters of contra-rotating local fan

圖3所示為對旋式局部通風(fēng)機結(jié)構(gòu)組成，采用SolidWorks對風(fēng)機進行三維全流場幾何建模。為了方便后期進行風(fēng)機的建模和網(wǎng)格劃分，將數(shù)值模擬的計算域分成集流器加前級電機風(fēng)筒、前級葉輪、后級葉輪、擴散器加后級電機風(fēng)筒4個部分。

圖3 對旋式局部通風(fēng)機結(jié)構(gòu)簡圖(單位：mm)Fig.3 Structural diagram of contra-rotating local fan(unit:mm)

2.2 網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM軟件，采用靈活性和適應(yīng)性較強的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對各計算子區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。由于兩級葉片葉頂間隙區(qū)域?qū)α鲃拥挠绊戄^大，應(yīng)在保證計算內(nèi)存足夠使用的基礎(chǔ)上，對葉頂間隙邊界層區(qū)域進行局部加密。同時為了保證網(wǎng)格質(zhì)量及計算精度，對葉片頂部、葉片前后緣、葉根與輪轂相接處進行加密處理，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格分布Fig.4 Griding

2.3 數(shù)值模型及邊界條件

應(yīng)用FLUENT17.0軟件對對旋式局部通風(fēng)機進行三維全流場計算，考慮到計算能力，湍流模型選擇計算精度高且適應(yīng)性較強的RNGk-ε模型，并采用有限體積法對控制方程進行二階精度的空間離散，時間離散采用全隱格式。邊界條件將集流器入口截面設(shè)置為速度入口，擴散器出口截面設(shè)置為壓力出口，固體壁面采用無滑移邊界條件，近壁區(qū)采用Scalable標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，取殘差為10-6作為收斂的判斷條件之一。以定常模擬的結(jié)果作為初場進行非定常流動計算，非定常模擬采用LES方法，模擬的時間步長為0.000 2 s，每個時間步進行50次迭代運算，總的時間為0.2 s，對應(yīng)葉輪旋轉(zhuǎn)10圈，以達到計算數(shù)據(jù)及精度相對準(zhǔn)確的狀態(tài)，并在前級葉片區(qū)域設(shè)置若干個監(jiān)測點。非定常模擬完成后引入FW-H(Ffowcs-Williams Hawkings)聲學(xué)模型再次進行10個周期的運算。運算完成后，獲取由聲源引起的監(jiān)測點處的聲壓數(shù)據(jù)，進行快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)得到各監(jiān)測點的噪聲頻譜圖，分析風(fēng)機流場噪聲分布特性。計算中選取的壓力脈動監(jiān)測點見圖3，軸向設(shè)置3個監(jiān)測點，其中M1位于前級葉片前緣50%葉高處、M2位于前級葉片葉頂間隙、M3位于前級葉片后緣50%葉高處。為了得到更加精確和穩(wěn)定的計算結(jié)果，選取葉輪旋轉(zhuǎn)第6周的流場和聲場的結(jié)果進行分析。

3 流場和聲場特性分析

3.1 穩(wěn)態(tài)聲場特性分析

為了更好地預(yù)測對旋局部通風(fēng)機噪聲分布情況，定常計算收斂后引入Proudman改進寬頻噪聲模型，得到風(fēng)機內(nèi)部的聲功率分布如圖5所示。從圖5可以看出，風(fēng)機葉輪區(qū)域的聲功率較大，其中最大值位于兩級葉輪葉片的葉頂區(qū)域，因此，應(yīng)把風(fēng)機兩級葉輪區(qū)域作為風(fēng)機流場和噪聲的重點研究區(qū)域。

圖5 氣動噪聲聲功率分布Fig.5 Aerodynamic noise power distribution

3.2 瞬態(tài)流場特性分析

圖6是風(fēng)機在設(shè)計流量工況點q=12 600 m3/h下，原始葉片和3種仿生葉片50%葉高處的速度分布云圖，從圖中可知：

前級葉片形狀的改變對后級的流動情況沒有顯著的影響。與原始葉片相比，分別采用鋸齒狀后緣、圓齒狀前緣和鋸齒狀后緣加圓齒狀前緣的3種葉片仿生結(jié)構(gòu)，吸力面前緣附近高能流體區(qū)域依次減弱，削弱了葉片下游的摻混損失，使得尾跡更加均勻。

圖6 50%葉高截面速度分布Fig.6 Velocity distribution in cross section of 50% blade span

圖7是原始葉片和3種仿生葉片在設(shè)計流量工況點(q=12 600 m3/h)時兩級葉片表面靜壓分布云圖，從圖中可知：

1) 與前級葉輪葉片表面的靜壓分布相比，后級葉輪葉片表面的靜壓分布相對均勻，沒有出現(xiàn)很大的壓差改變，只是在后級葉片壓力面的高壓區(qū)域依次減少。影響了后級葉片的做功能力，導(dǎo)致風(fēng)機全壓效率的降低。

2) 與前級葉輪原始葉片相比，仿生葉片1吸力面前緣靠近葉頂位置的低壓區(qū)域明顯減少，這說明鋸齒尾緣能夠有效降低壓力面和吸力面的壓差，減小葉片表面的壓力脈動，進而降低葉頂間隙處二次流和渦量。

3) 與前級葉輪原始葉片相比，仿生葉片2前緣圓齒頂部至根部的壓強逐漸降低，風(fēng)機入口非定常來流由于受到前緣圓齒的影響，氣流由軸向向徑向偏轉(zhuǎn)，隨著風(fēng)機入口軸向來流的加強，從圓齒根部的徑向偏轉(zhuǎn)氣流與軸向來流交匯產(chǎn)生強烈的相互作用，進而改變氣流在前緣的流動形態(tài)，同時將葉片前緣的集中渦團破碎并分散。

4) 仿生葉片3與其他兩種仿生葉片相比，葉片表面壓力損失情況不是特別顯著，由于圓齒狀前緣和鋸齒狀尾緣的共同作用，使得葉片表面壓力分布更加均勻。

圖7 兩級葉輪原始葉片和仿生葉片表面靜壓分布Fig.7 Static pressure distribution of the original and bionic in the two rator blade surface

圖8是前級葉輪葉片表面的渦量云圖，從圖中可知，與原始葉片相比，仿生葉片1后緣處的渦量明顯減少，這說明鋸齒尾緣能夠?qū)砹髟谌~片表面分離后產(chǎn)生的分離渦破碎，降低了尾渦脫落引起的尾渦噪聲；仿生葉片2前緣處的渦量沿圓齒葉根和葉頂分散，后緣處的分離渦也明顯減少，這是由于前緣結(jié)構(gòu)導(dǎo)致來流在前緣徑向分散，隨著軸向來流和徑向分散流的強相互作用，使得葉片前緣和尾緣的渦結(jié)構(gòu)改變，進而降低前緣和尾緣噪聲；仿生葉片3在前緣圓齒和尾緣鋸齒的共同作用下，前緣圓齒和鋸齒尾緣處的分離渦更小更破碎。

圖8 前級葉片表面渦量云圖Fig.8 Surface vorticity cloud map in the first rotor

3.3 瞬態(tài)聲場特性分析

對于對旋式局部通風(fēng)機，翼型渦流噪聲形成的主要原因有3個：1) 來流與翼型前緣作用產(chǎn)生的前緣噪聲；2) 湍流邊界層與翼型尾緣作用產(chǎn)生的噪聲；3) 翼型尾渦脫落引起的尾緣噪聲。

圖9所示為原始葉片結(jié)構(gòu)和3種仿生葉片結(jié)構(gòu)50%葉高截面處的渦量分布，從圖中可以看出，對原始葉片來說，氣流流經(jīng)葉輪流道時，渦量從前級葉輪入口到后級葉輪出口呈逐漸增加的趨勢，且后級葉輪出口處形成較大的渦流，渦量強度提高。而仿生葉片在兩級葉輪區(qū)域渦量整體變化相對原始葉片較小，其中鋸齒狀后緣加圓齒狀前緣仿生葉片前級葉輪區(qū)域的前緣分離渦和尾緣脫落渦都有明顯的改善，且后級葉輪出口處渦流強度均減小。

圖10所示為原始葉片結(jié)構(gòu)和3種仿生葉片結(jié)構(gòu)50%葉高截面處的湍動能分布。對于原始葉片來說，在兩級葉輪級間間隙湍動能強度較大，后級葉輪出口處湍動能梯度變化明顯。而仿生葉片兩級葉輪級間間隙湍動能強度均減小，且后級葉輪出口處湍動能梯度變化較小。

圖9 50%葉高截面渦量分布Fig.9 Vorticity distribution in cross section of 50% blade span

圖10 50%葉高截面湍動能分布Fig.10 Turbulent kinetic energy distribution in cross section of 50% blade span

4 結(jié)果及分析

4.1 氣動性能對比

用全壓效率反映風(fēng)機的氣動性能，全壓效率用下列公式計算

(1)

式中：Δp為通風(fēng)機全壓升，Pa；q為通風(fēng)機流量，m3/h；T為電機扭矩，N·m；ω為風(fēng)機葉片角速度，rad·s-1.

(2)

表2給出了在非定常模擬完成后，相同流量12 600 m3/h下4種葉片結(jié)構(gòu)對應(yīng)的風(fēng)機全壓效率、全壓、電機扭矩和葉片角速度的值，其中通風(fēng)機葉輪角速度是由電機轉(zhuǎn)速換算得到是定值，其余3項均為變量。與原始葉片相比，采用鋸齒狀后緣仿生葉片、圓齒狀前緣仿生葉片、鋸齒狀后緣加圓齒狀前緣仿生葉片，風(fēng)機效率分別降低1.8%、2.3%和3.5%.可見，在采用仿生葉片結(jié)構(gòu)降低風(fēng)機噪聲的同時，其氣動性能沒有顯著降低。

表2 相同流量下不同葉片結(jié)構(gòu)對應(yīng)的風(fēng)機氣動性能Table 2 Aerodynamic performance of the fan corresponding to different blade structures at the same flow rate

4.2 監(jiān)測點處壓力脈動分析

用壓力系數(shù)Cp來表征氣流壓力脈動的幅值：

(3)

式中：pnode,t為各監(jiān)測點的瞬時靜壓，Pa；pref為靜壓平均值，Pa；ρ為空氣流體密度，kg/m3；u為葉輪圓周速度，m/s.

圖11為非定常模擬結(jié)果下，原始葉片以及3種仿生葉片的壓力脈動區(qū)域平穩(wěn)后，監(jiān)測點處在同一時間段內(nèi)的瞬態(tài)聲壓信號對比。顯然，3種仿生葉片的聲壓波動幅值都低于風(fēng)機原始葉片的聲壓波動幅值，表明3種仿生葉片表面的脈動壓力均小于原始葉片表面的脈動壓力。

4.3 監(jiān)測點處聲壓級分析

根據(jù)FBD礦用隔爆壓入式對旋軸流局部通風(fēng)機指導(dǎo)說明書的建議，在整機運行時，噪聲不應(yīng)超過85 dB(A).但通風(fēng)機在實際運行時，由于葉片的高速旋轉(zhuǎn)，使得兩級葉片前后緣及葉頂間隙處的氣動噪聲達130 dB以上。人耳的聽覺痛閥線為120 dB，如果長時間工作在高噪音環(huán)境，會給井下工作人員的身心健康帶來一定的威脅。圖12對比了原始葉片以及3種仿生葉片在監(jiān)測點處的聲壓頻譜。各監(jiān)測點在2 000 Hz以下頻率范圍內(nèi)平均降低噪聲分別為2，4，6 dB.數(shù)值模擬結(jié)果表明，仿生葉片結(jié)構(gòu)使監(jiān)測點處的噪聲降低6 dB.雖然通風(fēng)機氣動性能也做出了相應(yīng)的犧牲，但并未出現(xiàn)大幅度的降低。而井下高噪音環(huán)境得到有效改善，同時風(fēng)機也處在安全運行范圍內(nèi)，這對礦用對旋式局部通風(fēng)機具有一定的實用價值。

5 結(jié)論

本文將3種仿生葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)用于礦用對旋式局部通風(fēng)機，通過對定常和非定常流場及氣動噪聲的數(shù)值模擬與對比分析，考察了葉片前后緣采用仿生結(jié)構(gòu)對對旋式局部通風(fēng)機氣動性能及噪聲特性的影響，得到以下主要結(jié)論：

1) 在對旋式局部通風(fēng)機氣動性能沒有顯著降低的情況下，與原始葉片結(jié)構(gòu)相比，分別采用鋸齒狀后緣、圓齒狀前緣及鋸齒狀后緣加圓齒狀前緣仿生葉片結(jié)構(gòu)，均具有一定的降噪效果。

圖11 各監(jiān)測點處的瞬時聲壓Fig.11 Instantaneous sound pressure at the monitoring points

圖12 各監(jiān)測點處的聲壓級Fig.12 Sound pressure level at the monitoring points

2) 與原始葉片結(jié)構(gòu)相比，采用仿生葉片結(jié)構(gòu)可有效降低葉片表面的壓力脈動強度。同一流量下，原始葉片兩級葉輪級間間隙及后級葉輪出口處渦量梯度分布均高于仿生葉片，仿生葉片可以有效降低該區(qū)域的湍動能，減少葉片表面的脈動擴散和黏性耗散損失，進而降低風(fēng)機內(nèi)聲壓分布區(qū)域和強度。

3) 就本文所考察的3種仿生葉片結(jié)構(gòu)來說，后緣鋸齒狀加前緣圓齒狀仿生葉片結(jié)構(gòu)，與另外2種仿生葉片結(jié)構(gòu)相比降噪效果更加明顯；與原始葉片結(jié)構(gòu)相比，在保證不顯著降低風(fēng)機氣動性能的情況下，可使噪聲降低6 dB左右。