基于正交試驗的軸流風扇葉片仿生設(shè)計與分析

李疆鴻 肖恩勝 李 明 佟思語 陳 坤

（新疆大學機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

軸流風扇在我們的生活中應(yīng)用廣泛，近年來，有關(guān)軸流風扇的噪聲控制問題受到廣大研究者的關(guān)注。

一些研究者采用添加消聲裝置[2]和改變導(dǎo)流罩外形[2]等一些傳統(tǒng)的方式來降噪，雖取得了一定的效果，但適用范圍不夠廣。隨著仿生學的不斷發(fā)展，基于仿生思想對風扇葉片進行改造已成為近些年的研究熱點。一些研究者的研究表明，鸮類具有獨特的羽毛結(jié)構(gòu)（羽毛邊緣的非光滑形態(tài)以及羽毛表面羽小枝的立體網(wǎng)格狀形態(tài)等），使其能夠“靜音”捕捉獵物?；谳S流風扇和鳥類翅膀在運動特性上具有的相似性，研究者們通過仿生技術(shù)將鸮獨特的羽毛結(jié)構(gòu)應(yīng)用到軸流風扇上，以此來改善軸流風扇的氣動性能，并獲得了很好的降噪效果。

該文將領(lǐng)角鸮比較明顯的條紋結(jié)構(gòu)和齒槽狀形態(tài)建立在軸流風扇葉片表面上，采用正交試驗的優(yōu)化方案，利用CFD 仿真模擬的方式對比研究條紋和齒槽形態(tài)耦合作用對軸流風扇氣動噪聲的影響。

1 模型及試驗方案

1.1 原型風扇的選擇

該文選取一款電腦散熱風扇作為原型風扇，具體參數(shù)為葉片數(shù)11 片，工作電壓為5 V，工作電流約為0.22 A，風扇外徑130 mm，輪轂直徑40 mm，輪轂高度25 mm，聲壓級值約21 dB。

1.2 仿生風扇葉片的設(shè)計

領(lǐng)角鸮可以“靜音”飛行主要是依靠其翅膀表面的條紋結(jié)構(gòu)和翅膀末端羽毛間呈現(xiàn)的齒槽形態(tài)[3-4]。因此，將這種獨特的條紋結(jié)構(gòu)和齒槽形態(tài)建立在風扇葉片表面上。具體設(shè)計如下。首先，在風扇的每個葉片正壓力面添加5 條繞輪轂等距排列的凸起狀條紋結(jié)構(gòu)。其次，在風扇后緣條紋間添加等距的齒槽狀結(jié)構(gòu)。

條紋截面采用曲線型輪廓，這是因為截面曲線型輪廓比直線型輪廓條紋所受的徑向應(yīng)力更小，而且通過仿真模擬發(fā)現(xiàn)，采用曲線型截面的風扇氣動性能更好。條紋在水平面的投影線型設(shè)計為圓弧線和漸開線2 種。采用SolidWorks2018 三維建模軟件對仿生風扇進行建模。所用漸開線極坐標方程式為：

式中：t 為參數(shù)，基圓半徑r=12 mm。

圖1（a）為條紋線型為圓弧線的仿生風扇葉片，圖1（b）為條紋線型為漸開線的仿生風扇葉片，圖1（c）為標注示意圖。

1.3 試驗方案

試驗方案需要考慮條紋線型（因素A）、條紋寬度（因素B）、條紋間距（因素C）、齒槽寬度（因素D）4 個主要影響因素。領(lǐng)角鸮翅膀條紋結(jié)構(gòu)具有窄而高的特點，因此設(shè)定的仿生風扇葉片條紋寬度水平分別為1 mm、2 mm 和3 mm，并且設(shè)定條紋寬高比為1 ∶2。條紋主要起分隔氣流，降低氣流紊亂程度的作用。條紋間距太小或太大都不會起到很好的隔流效果，因此，應(yīng)選擇適合原型風扇的條紋間距水平，分別設(shè)定為6 mm、7 mm 和8 mm。齒槽寬度需要適應(yīng)條紋間距水平，設(shè)定齒槽寬度水平分別為2 mm、3 mm 和4mm。試驗因素水平表見表1。

表1 因素水平表

采用L9（21×33）正交試驗方案，建立9 個仿生風扇葉片模型，并與原型風扇葉片進行對比試驗，分析其轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min 時的噪聲情況。

圖1 仿生風扇葉片模型圖

2 試驗過程與結(jié)果分析

2.1 網(wǎng)格劃分

在ICEM 軟件中建立流體域模型，圖2 為流體域模型簡圖。外圍為一個大的空氣靜止域，內(nèi)部有一個小的風扇轉(zhuǎn)動域。由于在風扇葉片轉(zhuǎn)動過程中，空氣主要在出口段流動，因此，設(shè)定出口段比入口段長。

圖2 流體域模型簡圖

采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，為得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量，可以單獨設(shè)置每一部分的網(wǎng)格大小。設(shè)定靜止域最大網(wǎng)格尺寸為10 mm，轉(zhuǎn)動域最大網(wǎng)格尺寸為3 mm，風扇葉片表面最大網(wǎng)格尺寸為1 mm。網(wǎng)格質(zhì)量檢測良好。圖3 為仿生葉片附近面網(wǎng)格劃分截圖。

2.2 仿真模擬

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent 18.0 中進行仿真模擬。采用壓力入口和壓力出口的邊界條件，并設(shè)置靜壓均為0 Pa。在中間旋轉(zhuǎn)域建立運動坐標系，設(shè)置繞風扇軸線旋轉(zhuǎn)速度分別為2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min。先進行穩(wěn)態(tài)流場分析，待計算收斂后再進行瞬態(tài)噪聲分析，可以得到更貼合實際的聲壓級值[5]。

噪聲分析采用FW-H 方程式，設(shè)定噪聲接收點在沿軸線速度方向距離輪轂中心500 mm 處。仿真結(jié)果見表2。對比發(fā)現(xiàn)原型風扇仿真模擬的聲壓級值和產(chǎn)品參數(shù)中風扇的聲壓級值接近，從而驗證了仿真模擬實驗的正確性。從表中可以看出，在2 000 r/min、2 500 r/min 和3 000 r/min 3 種不同轉(zhuǎn)速下，仿生風扇聲壓級的峰值與原型風扇相比均有降低，且在這3 種轉(zhuǎn)速下，8 號仿生風扇的降噪效果最佳，聲壓級峰值分別降低了7.5 dB、6.5 dB 和8.4 dB。

圖3 仿生葉片附近面網(wǎng)格劃分截圖

表2 仿真模擬結(jié)果

2.3 極差分析

根據(jù)對試驗結(jié)果進行極差分析（見表3），對影響該文仿生風扇氣動噪聲的各因素進行了主次排序，并得出了不同轉(zhuǎn)速下各因素水平的最優(yōu)組合。對比發(fā)現(xiàn)齒槽寬為影響仿生風扇氣動噪聲的主要因素，條紋線型為漸開線的降噪效果優(yōu)于圓弧線，條紋寬度對仿生風扇氣動噪聲影響最小。

表3 仿真結(jié)果極差分析

2.4 頻譜分析

導(dǎo)出Fluent 18.0 計算得到的聲壓級頻譜圖（如圖4 所示），對比分析原型風扇和8 號仿生風扇的聲壓級頻譜關(guān)系[6-7]。觀察圖4 頻譜圖發(fā)現(xiàn)。1）原型風扇和8 號仿生風扇的聲壓級峰值均出現(xiàn)在較低頻段，原型風扇在500 Hz 左右，8 號仿生風扇在4 000 Hz 左右。2） 原型風扇和8 號仿生風扇在高頻段對聲壓級值都有抑制，但8 號仿生風扇頻譜曲線斜率更大，因此抑制效果更好。3）并且發(fā)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)速下原型風扇聲壓級最小值與8 號仿生風扇聲壓級峰值相當，說明仿生風扇降噪效果良好。

圖4 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時原型風扇和8 號仿生風扇聲壓級頻譜圖

3 結(jié)語

該文采用正交試驗方案，設(shè)計了9 個具有條紋和齒槽耦合的仿生軸流風扇。利用CFD 仿真模擬軟件分析計算了原型風扇葉片和9 個仿生風扇葉片的噪聲情況，并進行了對比實驗。實驗結(jié)果表明，仿生風扇葉片具有良好的降噪效果，并且8 號仿生風扇葉片降噪效果最好。在2 000 r/min、2 500 r/min 和3 000 r/min 3 種不同轉(zhuǎn)速下聲壓級峰值最高可分別降低了7.5 dB、6.5 dB 和8.4 dB，降低率分別為35.2%、29.5%和36.1%。