傾斜蝸舌對(duì)前彎離心風(fēng)機(jī)噪聲特性影響的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)分析

劉燕瀟 邵準(zhǔn)遠(yuǎn) 李 蕾 周 波 張 浩

（浙江上風(fēng)高科專風(fēng)實(shí)業(yè)股份有限公司）

0 引言

隨著我國(guó)城市化及環(huán)保戰(zhàn)略的推行，特別是新冠病毒在全球蔓延以后，人們對(duì)環(huán)保清潔的要求越來(lái)越高，清掃車以機(jī)械化程度高、清潔效率好等優(yōu)點(diǎn)成為了城鎮(zhèn)清潔的主力軍［1-3］。

清掃車專用離心風(fēng)機(jī)為清掃車風(fēng)道系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿υ春驮肼曉矗?］。前傾式清掃車風(fēng)機(jī)以體積小、吸力大及質(zhì)量小等特點(diǎn)，為清掃車裝備公司所青睞。由于前傾式離心風(fēng)機(jī)流道出口角和曲率較大，轉(zhuǎn)速高，輸出的壓力高，流速大，“射流-尾流”結(jié)構(gòu)強(qiáng)，吸力面邊界層容易產(chǎn)生分離。流體伴隨著旋渦、分離、脫落、尾跡流動(dòng)等現(xiàn)象，內(nèi)流場(chǎng)較為復(fù)雜［5-6］，因此這類風(fēng)機(jī)也存在噪聲大、高頻噪聲貢獻(xiàn)大、刺耳等問(wèn)題。在風(fēng)機(jī)風(fēng)量風(fēng)壓基本不變、風(fēng)機(jī)安裝尺寸不變的前提下（考慮部件的互換性），如何降低設(shè)備運(yùn)行噪聲和高頻噪聲貢獻(xiàn)成為難點(diǎn)。

本文通過(guò)對(duì)原型機(jī)的模擬計(jì)算及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證計(jì)算的可靠性。采用傾斜蝸舌優(yōu)化方案，分析了傾斜蝸舌對(duì)清掃車風(fēng)機(jī)流場(chǎng)特性、噪聲特性的影響。

1 風(fēng)機(jī)模型的數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 原型機(jī)介紹

本文的研究對(duì)象為目前清掃車市場(chǎng)使用量最大的7.8C離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)由進(jìn)氣箱、葉輪、輪轂、蝸殼和皮帶輪等部件組成。風(fēng)機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為2480rpm，原型機(jī)最高效率點(diǎn)實(shí)測(cè)風(fēng)量為13200m3/h，全壓為10900Pa。

表1 清掃車離心風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Main structural parameters of centrifugal fan for sweeper

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

1.2.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

采用Solid works 對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維建模，為了計(jì)算的穩(wěn)定性，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口適當(dāng)延長(zhǎng)［7］，氣動(dòng)三維如圖1。

圖1 風(fēng)機(jī)氣動(dòng)三維模型Fig.1 Aerodynamic 3D structural model

將Solid works 建立的三維模型導(dǎo)入ICEM 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，把模型劃分成兩個(gè)計(jì)算域，旋轉(zhuǎn)域和靜止域，葉輪區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)域，其他域?yàn)殪o止域，兩個(gè)域之間通過(guò)interface連接。對(duì)于關(guān)鍵部位，如葉輪、蝸舌、葉輪與集流器之間的套口尺寸進(jìn)行特殊加密。由于計(jì)算模型較為復(fù)雜，因此采用適配性較好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。計(jì)算網(wǎng)格如圖2。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.2 Computational grid of fan

為了保證計(jì)算精度，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算對(duì)比分析，網(wǎng)格數(shù)為455萬(wàn)時(shí)，風(fēng)機(jī)在額定風(fēng)量下，壓力誤差小于2%，綜合考慮工作站的計(jì)算能力、計(jì)算精度和計(jì)算耗時(shí)等因素，采用455萬(wàn)網(wǎng)格分布方案來(lái)計(jì)算分析。

1.2.2 計(jì)算模型的建立

使用ANSYS-FLUENT 軟件作為數(shù)值模擬的求解器。先對(duì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，基本穩(wěn)定后；啟動(dòng)瞬態(tài)計(jì)算，當(dāng)瞬態(tài)計(jì)算的監(jiān)控參數(shù)形成了動(dòng)態(tài)基本穩(wěn)定后，再引入FW-H方程進(jìn)行二次瞬態(tài)與噪聲計(jì)算。

1）流體介質(zhì)：25℃的不可壓縮空氣。

2）邊界條件：采用速度進(jìn)口，壓力出口。

3）湍流方程：穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，采用SST湍流模型；瞬態(tài)計(jì)算時(shí)，采用SAS湍流模型。

4）數(shù)值算法：采用壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法，二階迎風(fēng)差分格式。

1.3 計(jì)算模型的可靠性驗(yàn)證

模型計(jì)算完畢后，提取參數(shù)，對(duì)計(jì)算的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

表2 風(fēng)機(jī)的計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of calculation and measurement results

由表2 可看出，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，誤差基本2%以內(nèi)，可認(rèn)為本文的計(jì)算方法是可靠的，可以準(zhǔn)確的模擬風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)及噪聲性能。

2 傾斜蝸舌對(duì)模型氣動(dòng)及噪聲的影響分析

2.1 傾斜蝸舌的設(shè)計(jì)

離心風(fēng)機(jī)的噪聲主要是氣體非定常流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲，包括基頻噪聲和寬頻噪聲。由于葉輪出口氣流對(duì)蝸舌沖擊較為劇烈，蝸舌對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能和噪聲特性影響比較明顯［8］。從降噪機(jī)理角度，常規(guī)風(fēng)機(jī)蝸舌為直蝸舌，葉輪出口與蝸舌之間距離在垂向是不變的，葉輪出口氣流沿垂向同一時(shí)刻擊打到蝸舌上。而傾斜蝸舌沿垂向成一定角度，氣流不在同一時(shí)刻擊打到蝸舌上，存在一個(gè)相位差，這樣在同一時(shí)刻削弱了氣流對(duì)蝸舌的沖擊，降低了風(fēng)機(jī)基本噪聲峰值，因此風(fēng)機(jī)總體噪聲水平會(huì)下降。

其中，t為蝸舌與葉輪出口的距離；D2為葉輪直徑；Z為葉片數(shù)；θ為傾斜蝸舌傾斜角度。

原型機(jī)Δt為0.07，在Δt從0.06～0.1 范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)［9］分析，當(dāng)Δθ取0.8～1.2 時(shí)，風(fēng)機(jī)降噪效果較好。在本次傾斜角度計(jì)算時(shí)，Δθ取1.2，葉片數(shù)Z為28，通過(guò)計(jì)算，傾斜蝸舌的傾斜角θ為15.4°。

圖3 傾斜蝸舌設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Diagram of inclined tongue structure

如圖3所示，前蓋板處的蝸舌尺寸結(jié)構(gòu)與原型機(jī)一致（小蝸舌，半徑為22mm），在后蓋板側(cè)蝸舌為大蝸舌(半徑為55mm)，大蝸舌與小蝸舌之間存在一個(gè)傾角（15.4°），這樣既保證風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能不會(huì)有大的變動(dòng)，又能降低風(fēng)機(jī)噪聲。

2.2 傾斜蝸舌對(duì)模型氣動(dòng)及噪聲特性的影響

傾斜蝸舌模型與原型機(jī)的氣動(dòng)三維建模、網(wǎng)格化、算法等均一致，相同的方法，計(jì)算和分析傾斜蝸舌對(duì)模型的氣動(dòng)及噪聲影響。以葉高50%截面為代表對(duì)氣動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比分析。

從圖4中可看出，原型機(jī)（直蝸舌）在蝸舌位置有較大的壓力梯度，蝸舌舌尖壓力值最大，舌尖方向逐漸減小，而傾斜蝸舌壓力分布較為平緩。

圖4 原型機(jī)與傾斜蝸舌模型壓力分布Fig.4 Pressure distribution of original fan and inclined tongue model

圖5為原型機(jī)與傾斜蝸舌模型的速度云分布圖，可以看出，在蝸舌及葉輪出口附近，原型機(jī)局部的速度值較大，而傾斜蝸舌模型相對(duì)平緩，高速局域范圍較小。

圖5 原型機(jī)與傾斜蝸舌模型速度分布Fig.5 Velocity distribution of original fan and inclined tongue model

圖6 原型機(jī)與傾斜蝸舌葉片時(shí)均壓力脈動(dòng)分布Fig.6 Blade's time-average pressure pulsation distribution of original fan and inclined tongue model

如圖6 所示，原型機(jī)葉片表面時(shí)均壓力脈動(dòng)（)較大，其最大值位于蝸舌靠后的第3、4 兩個(gè)大葉片的進(jìn)口吸力面處，其他葉片的吸力面壓力脈動(dòng)也高于壓力面，這是由于進(jìn)口攻角大，形成局部分離所致。在葉片出口位置（葉片出口大曲率位置），壓力面的壓力脈動(dòng)大于吸力面，這是由于葉片出口射流尾流結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的?？傮w上，葉片進(jìn)口的壓力脈動(dòng)值高于葉片出口。傾斜蝸舌模型較原型機(jī)，壓力脈動(dòng)大幅度降低，并且消除了局部壓力脈動(dòng)大的問(wèn)題，壓力脈動(dòng)分布較為均勻。

從圖7 中可看出，原型機(jī)在蝸舌位置聲壓級(jí)較高，最大值分布在靠近前蓋板方向（靠上），并且較為集中；傾斜蝸舌的高聲壓級(jí)偏離蝸舌向后方面發(fā)展，總體上也是靠前蓋板方向大，后側(cè)板小，較直蝸舌，傾斜蝸舌聲壓級(jí)大幅度降低。

圖7 原型機(jī)與傾斜蝸舌模型蝸舌處寬頻噪聲分布Fig.7 Broadband noise distribution at the tongue of the original fan and the inclined tongue model

通過(guò)快速傅里葉變換對(duì)風(fēng)機(jī)出口1m處監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行頻譜特性分析，旋轉(zhuǎn)噪聲是以基頻和諧頻的離散形式呈現(xiàn)的，而湍流噪聲則是以連續(xù)的形式呈現(xiàn)的。從圖8中可看出，頻譜中既有波峰又有連續(xù)分布的，這說(shuō)明該風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲中既包含旋轉(zhuǎn)噪聲又包含湍流噪聲。離散噪聲的頻率與葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速有密切聯(lián)系，離散噪聲的頻率計(jì)算公式為：

式中，Z為葉片數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；i為諧波數(shù)，當(dāng)i=1時(shí)為基頻噪聲［10］。

對(duì)于原型機(jī)，全頻段的噪聲值都比較大，在基頻（f=28×2480/60=1157Hz）內(nèi)，具備非常明顯的離散特性，其他頻率段，呈現(xiàn)明顯的寬頻噪聲特性。在全頻段內(nèi)，傾斜蝸舌模型的噪聲較原型機(jī)都有一定程度下降，特別基頻（1157Hz）以上頻段尤為明顯。如圖8-9所示，原型機(jī)噪聲的主貢獻(xiàn)頻率段為1000～6000Hz，而傾斜蝸舌噪聲主貢獻(xiàn)頻率段為1000Hz 以內(nèi)。高頻噪聲降低以后，設(shè)備的噪聲特性得到改良。

圖8 出口1m處監(jiān)控點(diǎn)噪聲頻譜對(duì)比Fig.8 Comparison of the noise spectrum of the monitoring point at 1m of fan outlet

圖9 出口1m處監(jiān)控點(diǎn)A聲級(jí)對(duì)比Fig.9 Comparison of A sound pressure level at 1m of outlet monitoring point

表3為原型機(jī)與傾斜蝸舌模型性能對(duì)比表，在相同風(fēng)量工況下，傾斜蝸舌模型的壓力高了336Pa，效率提高了1.3%，噪聲降低了7.3dB。

表3 原型機(jī)與傾斜蝸舌模型性能參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of performance parameters between original fan and inclined tongue model

3 結(jié)論

本文對(duì)前傾式清掃車風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)性能和噪聲計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)傾斜蝸舌，采用相同的計(jì)算方法，對(duì)傾斜蝸舌模型進(jìn)行計(jì)算，分析了傾斜蝸舌對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)及噪聲特性的影響。研究表明：

1）傾斜蝸舌可以降低前傾式清掃車風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)，風(fēng)機(jī)噪聲降低了7.3dB；

2）傾斜蝸舌可以抑制風(fēng)機(jī)全頻段的噪聲，尤其在高頻段效果較好；

3）設(shè)計(jì)合理的傾斜蝸舌，氣動(dòng)性能不但沒(méi)有惡化，還在一定程度上得到優(yōu)化，壓力提高了336Pa，效率提高了1.3%。