冷卻風(fēng)扇降噪綜述*

盧宇晴，李建功，劉佳鑫，2

(1.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

伴隨著社會(huì)的發(fā)展人們對(duì)于車輛的需求也越來越大。近些年來，由于空調(diào)系統(tǒng)和排氣凈化裝置的普及，冷卻風(fēng)扇的負(fù)荷逐漸加大，而冷卻風(fēng)扇本身又是車輛最大噪聲源之一，這就使得噪聲污染變得更為嚴(yán)重。因此對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)使得其運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，不但能夠降低噪聲污染，減少對(duì)人們身心健康的威脅，而且能夠提高軸功率，使得冷卻風(fēng)扇的有用功增加，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

近些年來，眾多國內(nèi)外研究者對(duì)于冷卻風(fēng)扇的研究已取得了一定的成果，這也為本研究提供了很多理論參考依據(jù)。本文將針對(duì)各類冷卻風(fēng)扇降噪的一般方法和一些新型方法進(jìn)行系統(tǒng)論述，從而能夠進(jìn)一步明確冷卻風(fēng)扇在降低噪聲方面的發(fā)展趨勢(shì)，為未來冷卻風(fēng)扇的進(jìn)一步改進(jìn)提供思路。

1 冷卻風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生機(jī)理

冷卻風(fēng)扇噪聲由機(jī)械噪聲和氣動(dòng)噪聲組成，而風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲是整個(gè)動(dòng)力艙中噪聲的主要來源。氣動(dòng)噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成，旋轉(zhuǎn)噪聲的噪聲值峰值處為其基頻處，通常情況下，該噪聲值是冷卻風(fēng)扇的最高聲壓值。渦流噪聲在頻帶上的變化主要受風(fēng)扇轉(zhuǎn)數(shù)、葉片的結(jié)構(gòu)特征、葉珊參數(shù)、氣流參數(shù)以及實(shí)際工況條件的影響。

旋轉(zhuǎn)噪聲主要是由于風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)過程中扇葉對(duì)周圍空氣施加作用力，使得空氣產(chǎn)生脈動(dòng)，進(jìn)而使空氣流動(dòng)狀態(tài)不均勻產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲是冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲的主要組成部分。除此之外，風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片在前緣區(qū)域會(huì)形成比較厚的空氣附面層，而在葉片安裝角和風(fēng)扇葉型的影響下風(fēng)扇葉片尾緣處的空氣壓力和速度都比風(fēng)扇葉片間流道區(qū)域的壓力和速度大，產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力極其不穩(wěn)定，從而引發(fā)噪聲污染。

渦流噪聲之所以會(huì)產(chǎn)生是因?yàn)轱L(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣體會(huì)流經(jīng)風(fēng)扇葉片，在此過程中葉片表面會(huì)產(chǎn)生紊流附面層，對(duì)葉片產(chǎn)生壓力作用，附面層的狀態(tài)越紊亂伴隨的噪聲越大，紊亂氣流很容易產(chǎn)生渦流和二次渦流，渦流在破裂和脫落時(shí)都會(huì)產(chǎn)生特別大的脈動(dòng)壓力及渦流噪聲。

2 噪聲的抑制手段

2.1 選擇性能較好的風(fēng)扇單體

冷卻風(fēng)扇單體的性能影響因素主要包括風(fēng)扇葉片數(shù)目、葉片安裝角、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、風(fēng)扇直徑大小、葉片間的間距，以及風(fēng)扇翼型的選擇和制作風(fēng)扇的材料等。針對(duì)風(fēng)扇單體的設(shè)計(jì)問題而產(chǎn)生的噪聲污染問題，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了廣泛的探索與研究，并取得了一定的成果。

劉雄等[1]針對(duì)葉型不同的冷卻風(fēng)扇，對(duì)葉型參數(shù)、氣動(dòng)參數(shù)以及氣動(dòng)噪聲之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行了深入分析，為接下來冷卻風(fēng)扇更加精密的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。耿麗珍等[2]搭建冷卻風(fēng)扇風(fēng)道試驗(yàn)臺(tái)，并依據(jù)試驗(yàn)臺(tái)在FLUENT軟件上建立模型進(jìn)行相關(guān)仿真分析，分析出其流場分布的特點(diǎn)，并利用聲學(xué)模塊對(duì)其氣動(dòng)噪聲開展研究，最后將扇葉的參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到了降低氣動(dòng)噪聲的目的。Rama Krishna S等[3]將冷卻風(fēng)扇翼型設(shè)計(jì)為NACA，然后應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)該系列葉型進(jìn)行流場分析和噪聲分析，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)冷卻風(fēng)扇選擇NACA65-010翼型時(shí)，其噪聲能夠降低13 dB(A)左右，風(fēng)量能夠增加11.6%，該結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差在5.8%以內(nèi)。Ikeda等[4]在相對(duì)較低的雷諾數(shù)條件下，使用數(shù)值方法研究了兩個(gè)NACA翼型在流動(dòng)時(shí)周圍產(chǎn)生的氣動(dòng)聲場，在他們的研究中，邊界剪切層中最大的放大頻率不一定與翼型后緣噪聲的主要頻率一致，這是邊界層不穩(wěn)定的證據(jù)。有研究表明，當(dāng)風(fēng)扇葉片在圓周方向的間隔不均勻時(shí)，氣流模式的頻率會(huì)發(fā)生改變，使得風(fēng)扇整體噪聲水平降低[5]。Cattanei等[6]總結(jié)了軸流風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)子的葉片布置方法，將很多葉片噪聲疊加視為一個(gè)干擾問題，通過計(jì)算干擾函數(shù)，從理論上可以快速預(yù)測葉片分布對(duì)噪聲譜的影響，為接下來的噪聲研究奠定基礎(chǔ)。Anghinolfi等[7]將優(yōu)化算法結(jié)合起來，以獲得對(duì)噪聲最佳改善效果，并進(jìn)一步改進(jìn)了隨機(jī)葉片分布的設(shè)計(jì)方法。劉潔等[8]調(diào)整了冷卻風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩間的相對(duì)位置，針對(duì)冷卻風(fēng)扇的噪聲風(fēng)速比進(jìn)行計(jì)算，最后實(shí)現(xiàn)了冷卻風(fēng)扇噪聲風(fēng)速比降低，并改善了冷卻風(fēng)扇的綜合性能。

由以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，選擇較好的冷卻風(fēng)扇單體的最大優(yōu)勢(shì)在于能夠針對(duì)冷卻風(fēng)扇的每個(gè)具體問題進(jìn)行具體分析并加以改進(jìn)，從而達(dá)到降噪效果，但是僅限于風(fēng)扇單體本身，對(duì)于實(shí)際工況還需要設(shè)計(jì)多個(gè)研究方案進(jìn)行對(duì)比分析，才能得出最佳方法實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇的節(jié)能降噪，工作量相對(duì)偏大。

2.2 選擇較好的散熱器以及冷卻風(fēng)扇匹配模式

可以通過合理布置冷卻風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩、散熱器三者之間的相對(duì)位置來達(dá)到降噪的效果。Behzadmehr等[9]通過實(shí)驗(yàn)研究了整個(gè)冷卻系統(tǒng)的進(jìn)口參數(shù)及冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用對(duì)風(fēng)扇降噪和氣動(dòng)性能的影響，在實(shí)驗(yàn)中他們引入了一些與降噪和提高效率相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，所得結(jié)果顯示：使用最高的入口曲率將噪聲水平從68.08 dB(A)降低至63.68 dB(A)，并將效率從29.2%提高到43.3%；將風(fēng)扇按照入口鐘形件位置(無徑向間隙)布置可以將噪聲水平降低至62.78 dB(A)，并將效率提高至45.8%；最后，使用雙曲形狀護(hù)罩將噪聲水平降低到60.09 dB(A)，并將效率提高到48.5%。在最近幾年，為了有效地預(yù)測輻射噪聲，學(xué)者們已經(jīng)研究了另一種混合方法，該方法基于SAS(Scale Adaptive Simulation，尺度自適應(yīng)仿真)湍流模型和不帶護(hù)罩的URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes,非定常雷諾時(shí)均法)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的結(jié)果，取得了豐富的成果，有效預(yù)測并降低了冷卻風(fēng)扇噪聲[10，11]。

選擇較好的散熱器以及冷卻風(fēng)扇匹配模式的目的是為了能夠有效降低風(fēng)扇噪聲，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，但是因?yàn)槠溲芯繒r(shí)間相對(duì)較短、研究人員相對(duì)較少，因此對(duì)其還需要更進(jìn)一步地研究與探討。

2.3 應(yīng)用仿生技術(shù)改進(jìn)風(fēng)扇

仿生學(xué)是生物科學(xué)與工程技術(shù)相結(jié)合的一門交叉學(xué)科，它為科學(xué)研究提供了新的思路和方法。仿生學(xué)的任務(wù)就是研究生物體系所擁有的特殊能力以及該能力產(chǎn)生的機(jī)理，接下來將其模式化，應(yīng)用相應(yīng)的原理來進(jìn)行技術(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造與改良。在自然界中，一些生物在長期的逐漸進(jìn)化中形成了具有環(huán)境選擇特征的獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)和表面，如鯊魚鰭、鯊魚皮、鳥類翅膀，在研究這些生物結(jié)構(gòu)和特性的基礎(chǔ)上，提出并發(fā)展了各種節(jié)能、降噪的方法。

Ren等[12]通過實(shí)驗(yàn)證明了長耳貓頭鷹前緣的非光滑羽毛對(duì)低噪聲飛行有顯著影響，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，貓頭鷹的圓弧齒形前緣被量化為波高波長比為0.12～0.19的正弦曲線，數(shù)值結(jié)果表明，該方法能夠有效地抑制噪聲，噪聲降低了5 dB(A)～10 dB(A)。梁[13]在軸流風(fēng)機(jī)葉片前緣采用了鋸齒仿生結(jié)構(gòu)，使氣動(dòng)噪聲降低了2.2 dB，流量提高了11.2%，效率提高了5.3%。李疆鴻等[14]研究發(fā)現(xiàn)，鸮類的羽毛結(jié)構(gòu)相比較其他飛禽而言具有一定的特殊性，鸮類的羽毛表面具有立體網(wǎng)格狀的羽小枝，這樣便能讓鸮類在捕獵時(shí)做到“悄無聲息”，因此他們將鸮類獨(dú)特的羽毛結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇葉片相結(jié)合，使風(fēng)扇的氣動(dòng)性能得到了很好的改善。劉小民等[15]研究發(fā)現(xiàn)，蒼鷹在飛行過程中可以做到幾乎沒有聲音，這一點(diǎn)同它長時(shí)間生存的周邊環(huán)境所形成的特殊體表降噪系統(tǒng)有著最直接的關(guān)系，蒼鷹的體表羽毛呈現(xiàn)的條紋和羽毛端部的鋸齒狀態(tài)為降噪的主要因素，而條紋結(jié)構(gòu)可以使翅膀表面的附面層空氣流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變進(jìn)而使得氣流在流動(dòng)時(shí)能夠順著條紋流動(dòng)的方向流動(dòng)，從而將紊流氣體產(chǎn)生的渦流噪聲和壓力脈動(dòng)降低。

從上述分析與介紹可知，應(yīng)用仿生技術(shù)改進(jìn)冷卻風(fēng)扇葉片能夠有效地實(shí)現(xiàn)抑制冷卻風(fēng)扇噪聲的目標(biāo)，其技術(shù)正在逐漸成熟。研究人員首先將仿生學(xué)應(yīng)用于冷卻風(fēng)扇，并通過仿真、實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，驗(yàn)證其合理性，接下來針對(duì)具體問題進(jìn)行隨后的具體研究，不但能夠提高工作效率，還使得結(jié)果更加精確。

3 結(jié)論

(1) 從理論上說，選擇較好的冷卻風(fēng)扇單體和選擇較好的散熱器以及冷卻風(fēng)扇匹配模式可以很容易地實(shí)現(xiàn)降低噪聲的目的，但是當(dāng)作用在具體工況時(shí)，由于實(shí)際工況下的情況十分復(fù)雜，要想證明該選擇能滿足實(shí)際工況下的需求并實(shí)現(xiàn)降噪和節(jié)能環(huán)保的目的，就需要大量的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)比分析，工作量巨大，而且不確定性高，局限性很大。

(2) 應(yīng)用仿生技術(shù)改進(jìn)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)降噪效果相比較而言就顯得“智能”很多，可以根據(jù)現(xiàn)有生物自身身體結(jié)構(gòu)特征對(duì)風(fēng)扇扇葉進(jìn)行改造，使得扇葉具有同某生物身體結(jié)構(gòu)和表面相似的特征，這樣便可以按照人為設(shè)計(jì)的軌跡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和分析，而且該技術(shù)發(fā)展前景特別廣闊，因此這種方法效果更佳。

(3) 冷卻風(fēng)扇降噪的趨勢(shì)是學(xué)者和研究者將所有的研究方法同實(shí)際工作中現(xiàn)實(shí)工況的具體環(huán)境相結(jié)合而制定研究方案，對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行改進(jìn)，從而減輕冷卻風(fēng)扇在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的噪聲污染并節(jié)約能源。