離心風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬及氣動(dòng)噪聲分析

王梅芳，張磊，單衛(wèi)軍

（深圳市水務(wù)科技有限公司，廣東 深圳 518000）

在動(dòng)力機(jī)械噪聲研究領(lǐng)域中，萊特希爾聲類比理論是行程問題處理中最常見的基礎(chǔ)理論[1]。該理論以航空公司軸流式壓氣機(jī)的噪聲為研究環(huán)境，在軸流式壓氣機(jī)及風(fēng)機(jī)的噪聲研究中有重要意義。在早期離心風(fēng)機(jī)研究過程中，人們基于渦殼及離心風(fēng)機(jī)構(gòu)造，研究出了新型數(shù)學(xué)方程式[2]。這有利于解析出氣動(dòng)式噪聲源，歸納出一套離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非定常勢(shì)流數(shù)值計(jì)算方法[3]。本文以T9-19No.4A 離心風(fēng)機(jī)為例，進(jìn)行相關(guān)理論研究，以降低離心風(fēng)機(jī)噪聲。

離心風(fēng)機(jī)由外殼和離心葉輪兩部分組成。其中，離心風(fēng)機(jī)葉輪把風(fēng)機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體動(dòng)能，機(jī)殼將氣體動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力勢(shì)能，動(dòng)能與勢(shì)能轉(zhuǎn)換滿足伯努利方程：

式中，P、ρ、v分別表示流場(chǎng)的壓力、密度和速度。

李棟等通過渦殼渦舌對(duì)離心風(fēng)機(jī)的影響進(jìn)行研究[4]，最終降低了離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)式噪聲3dB；李林凌等應(yīng)用Gauss-Legendre 算法計(jì)算了風(fēng)機(jī)葉片的氣動(dòng)式噪聲，并通過調(diào)整葉片俯仰角、葉片半徑和葉片橫截面積等參數(shù)，得到不同狀態(tài)下離心風(fēng)機(jī)葉片氣動(dòng)式噪聲；Neise 等經(jīng)試驗(yàn)得出，在葉片尾緣處打孔可降低葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲10dB；Mauro 等通過提升風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度，可在特定工作頻率下，降低氣動(dòng)噪聲約14dB；黃軒等根據(jù)消音原理，對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行鋸齒狀化處理[5，6]，在1000—1400rpm 轉(zhuǎn)速下，氣動(dòng)式噪聲可降低約5.0dB。

基于以上研究，本文采用吸音隔音降噪改進(jìn)方案，對(duì)離心風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行研究。

1 離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)式噪聲控制理論

離心風(fēng)機(jī)在工作過程中產(chǎn)生的氣動(dòng)式噪聲主要包括基頻噪聲、渦旋噪聲、聲頻率累加和反射面產(chǎn)生的內(nèi)腔共鳴點(diǎn)噪聲等。依據(jù)離心風(fēng)機(jī)的噪聲特性及研究現(xiàn)狀，采用離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非定常流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)合萊特希爾聲類比理論和渦聲理論，對(duì)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵氣動(dòng)式噪聲源的部位、種類、抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行分析與計(jì)算，以降低氣動(dòng)式噪聲源的抗壓強(qiáng)度，從而減少離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)式噪聲。對(duì)離心風(fēng)機(jī)輻射源音場(chǎng)進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)式噪聲向外部散播的渠道和輻射源特性，在噪聲傳遞環(huán)節(jié)中進(jìn)行阻隔或削弱，進(jìn)而可減少離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)式噪聲[7]。本文將基于關(guān)鍵噪聲源抗壓強(qiáng)度轉(zhuǎn)變層次的方法對(duì)離心風(fēng)機(jī)降噪效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 湍流模型概述

湍流模型主要表現(xiàn)為湍流運(yùn)動(dòng)。湍流運(yùn)動(dòng)是一種不規(guī)律的流動(dòng)性運(yùn)動(dòng)，其復(fù)雜性體現(xiàn)在：

（1）液體具備時(shí)光偶然性。在中合運(yùn)動(dòng)中，液體的速率、工作壓力、環(huán)境溫度等參數(shù)在時(shí)間上和空間上具備偶然性。

（2）結(jié)合液體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦的多尺度特點(diǎn)。在勢(shì)流中，大尺度渦能夠傳輸動(dòng)能，小限度渦則會(huì)損耗動(dòng)能。

中合運(yùn)動(dòng)控制方程式包含連續(xù)性方程、爾蒂尼斯托克斯方程和能量守恒定律方程，如下式所示：

式中，u、v、w為三個(gè)方向上的速度分量；Fz為體積力；ST為流體內(nèi)部由于黏性力而產(chǎn)生的熱量。

2.2 雷諾時(shí)均法

應(yīng)用時(shí)均化原理進(jìn)行方程求解中合勢(shì)的方法被稱之為雷洛時(shí)均法（RANS）。

時(shí)均化的維納斯托克斯方程為：

式中，δij為克羅內(nèi)克函數(shù)中的偏量；u、v為湍流脈動(dòng)值的雷諾應(yīng)力項(xiàng)，代表流場(chǎng)中脈動(dòng)分量的物理量。

渦黏模型不直接計(jì)算雷諾應(yīng)力項(xiàng)，而是引入黏性系數(shù)，以黏性系數(shù)的函數(shù)代替雷諾應(yīng)力。雷諾應(yīng)力與時(shí)均速度梯度之間的關(guān)系如下式：

從式中可以看出，黏性系數(shù)t僅與流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。

3 離心風(fēng)機(jī)數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 離心風(fēng)機(jī)的模型建立

離心風(fēng)機(jī)的模型可分為幾何圖形模型和仿真建模兩部分。離心葉輪選用的是RER 175-42/18/2 TDMP型離心葉輪見圖1。

圖1 離心風(fēng)機(jī)葉輪圖

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格圖劃分的關(guān)鍵是離散變量的處理。網(wǎng)格劃分后的幾何圖形中包括四個(gè)基本因素：連接點(diǎn)、操縱容積、頁(yè)面和網(wǎng)格圖線。

圖2（左）為第一次試算時(shí)葉輪表面的Y+值云圖，葉輪Y+值不滿足小于5 的要求，表面最大值為90.6，故需要縮小第一層網(wǎng)格，經(jīng)多次計(jì)算得到圖2（右）所示的結(jié)果，Y+值為0.5—6.26。忽略小幅度誤差，改動(dòng)后的葉輪表面數(shù)據(jù)均滿足要求，此時(shí)葉片表面第一層網(wǎng)格的平均高度為0.4mm。

圖2 葉輪表面Y+值分布云圖

在離心葉輪的速率圖3 中，距離離心葉輪邊緣處越近其速率越大，離心葉輪外邊緣的最高速率為36.4m/s。而離心風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為4070rpm，離心葉輪半徑為86.8mm，根據(jù)公式計(jì)算得出離心葉輪的最高速率為36.97m/s，模擬仿真值與真實(shí)值相似。

圖3 離心風(fēng)機(jī)葉輪的速度云圖

在310 萬網(wǎng)格時(shí)，在初始條件下，應(yīng)用大渦仿真模擬可以精確得到240Pa 條件下的離心風(fēng)機(jī)勢(shì)能。而當(dāng)離心風(fēng)機(jī)工作在240Pa 以上時(shí)，將不能保證仿真結(jié)果的精確性。

3.3 結(jié)果分析

局部壓力損失的位置已在圖4 中標(biāo)出，通過分析可知，造成局部壓力損失的原因?yàn)闅怏w與氣體之間的相互作用。

圖4 離心風(fēng)機(jī)的局部壓力損失圖

在風(fēng)機(jī)中，偶極子源和四極子源是由工作壓力脈沖產(chǎn)生的，因而風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)式噪聲與工作壓力脈沖密切相關(guān)。由研究結(jié)果可知，工作壓力脈沖越大，其氣動(dòng)式噪聲越大。

4 離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 離心風(fēng)機(jī)外殼的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5 左側(cè)為離心風(fēng)機(jī)子午面速率矢量圖。由于氣體與邊界層相互影響，離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的氣體之間出現(xiàn)壓力損失。

圖5 離心風(fēng)機(jī)子午面速度矢量圖和子午面跡線圖

從圖5 可以看出，受氣體中間黏性力的影響，離心風(fēng)機(jī)左邊的氣體速率會(huì)降低，因此離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部氣體的流動(dòng)性會(huì)受到影響。

4.2 階梯蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

在離心葉輪與右邊流道之間存在抗壓強(qiáng)度較大的渦區(qū)，這類渦區(qū)的存在是離心風(fēng)機(jī)中合噪聲出現(xiàn)的首要原因，因此可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)來降低該渦區(qū)的渦量抗壓強(qiáng)度，從而減小噪聲。

從圖6 中可以看出，氣體受到右邊邊界層的影響，氣體壓力轉(zhuǎn)變?yōu)楦蟮呢?fù)壓，因而右邊邊界層的負(fù)壓要高于其他區(qū)域。

圖6 離心風(fēng)機(jī)壓力云圖

4.3 離心風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)離心風(fēng)機(jī)單個(gè)葉片進(jìn)行仿真計(jì)算和流場(chǎng)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在離心風(fēng)機(jī)葉片尾緣處會(huì)出現(xiàn)邊界層分離現(xiàn)象，這種現(xiàn)象形成的主要原因是葉片湍流邊界層受到尾緣逆壓梯度影響。葉片表面時(shí)均壓力脈動(dòng)分布云圖見圖7。

圖7 葉片表面時(shí)均壓力脈動(dòng)分布云圖

單體葉片的聲壓級(jí)分布與原風(fēng)機(jī)不同，呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，這說明單體葉片的噪聲組成與原離心風(fēng)機(jī)不同。

合理的鋸齒形葉片具有更好的降噪效果。但是實(shí)際的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)與單方向的氣體流動(dòng)有著很大的區(qū)別。通過兩種方案進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，中鋸齒葉片產(chǎn)生的尾跡渦相對(duì)于小鋸齒葉片范圍更小，所以中鋸齒形葉片的降噪效果更優(yōu)。壓力脈動(dòng)分布對(duì)比圖見圖8。

圖8 壓力脈動(dòng)分布對(duì)比圖

5 離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能測(cè)試

5.1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)與噪聲測(cè)試簡(jiǎn)介

P—Q（壓力—流量）性能曲線和氣動(dòng)噪聲是在選擇離心風(fēng)機(jī)時(shí)最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)也是本文的研究重點(diǎn)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是流體動(dòng)力學(xué)最主要、最常用的實(shí)驗(yàn)工具。

本實(shí)驗(yàn)使用的是一款小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)機(jī)（AMCA 210-99），這款小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置主要可以完成以下三種測(cè)試項(xiàng)目：壓力—流量曲線測(cè)試（P—Q 測(cè)試）；系統(tǒng)阻抗曲線測(cè)試（SCR 測(cè)試）；熱阻—流量測(cè)試（R—Q 測(cè)試）。

5.2 離心風(fēng)機(jī)降噪方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文對(duì)離心風(fēng)機(jī)的加工主要采用鈑金加工和3D打印兩種方式。由于離心風(fēng)機(jī)葉輪的曲率形狀比較復(fù)雜，因此本文僅對(duì)機(jī)殼的優(yōu)化進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。圖9為結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的實(shí)物圖，圖中階梯蝸殼采用3D 打印技術(shù)制成，其他構(gòu)件均使用材料為1.0mm 的鋁合金板以鈑金加工方式制作。

圖9 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)值與仿真值之間存在一定范圍的誤差，但總體規(guī)律基本一致。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，階梯蝸殼優(yōu)化方案的降噪效果最好，平均聲壓級(jí)下降3.1dB。而導(dǎo)流板和防渦圈在離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能提升方面具有較好的效果，出口流量可分別提高24.5CFM 和20.5CFM，彌補(bǔ)了階梯蝸殼造成的離心風(fēng)機(jī)的流量損失。

6 結(jié)語(yǔ)

通過將吸音材料和隔音材料作為填充物，填充進(jìn)離心風(fēng)機(jī)外殼與過流道中間的室內(nèi)空間，在超聲波的傳遞中削弱噪聲，從而降低了離心風(fēng)機(jī)噪聲。本研究明確了離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)關(guān)鍵氣動(dòng)式噪聲源，驗(yàn)證了離心通風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)式噪聲源在渦殼上。此外，本研究提出的離心通風(fēng)機(jī)氣動(dòng)式噪聲理論及離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)式噪聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)離心風(fēng)機(jī)降噪設(shè)計(jì)具有一定借鑒意義，在原離心風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)上可使噪聲降低1dB，有助于推動(dòng)離心風(fēng)機(jī)的應(yīng)用與創(chuàng)新。