光伏逆變器散熱系統(tǒng)氣動(dòng)噪聲分析研究

張 磊,鄭昌軍,張小正

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué) 噪聲振動(dòng)工程研究所,安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,隨著能源消耗和環(huán)境保護(hù)問題受到大眾的廣泛關(guān)注,我國家用太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì),其中光伏逆變器作為該產(chǎn)業(yè)中的重要裝備,在解決自身散熱問題的同時(shí),還需要考慮散熱系統(tǒng)帶來的氣動(dòng)噪聲問題。光伏逆變器散熱系統(tǒng)中主要的氣動(dòng)噪聲源是軸流風(fēng)扇,因此有必要對(duì)軸流風(fēng)扇的流場(chǎng)特性和聲場(chǎng)特性進(jìn)行分析和研究。

隨著數(shù)值計(jì)算的發(fā)展,在解決產(chǎn)品低噪聲設(shè)計(jì)問題時(shí)可以使用數(shù)值仿真的方法對(duì)產(chǎn)品的噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè),進(jìn)而為整個(gè)設(shè)計(jì)階段的噪聲水平評(píng)估與控制提供可靠的參考和指導(dǎo)。在實(shí)際工程中,針對(duì)空調(diào)、冰箱及其他含有軸流風(fēng)扇的電器,大多采用Fluent、STAT-CCM+、LMS.Virtual.lab等軟件對(duì)軸流風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲水平進(jìn)行數(shù)值仿真預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[1]使用Fluent軟件中的WMLES(wall-modelled large eddy simulation)模型對(duì)軸流風(fēng)扇的流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析,并計(jì)算得到了葉片上的非定常力,然后使用FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)聲類比模型計(jì)算出自由場(chǎng)內(nèi)的聲壓級(jí);與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的結(jié)果進(jìn)行比較之后發(fā)現(xiàn),聲場(chǎng)在指向性上有較好的一致性,但在噪聲水平上存在差異,其主要原因是沒有考慮風(fēng)扇機(jī)殼對(duì)聲場(chǎng)的影響。文獻(xiàn)[2]使用Fluent軟件對(duì)船泵冷卻軸流風(fēng)扇進(jìn)行了聲場(chǎng)特性分析,發(fā)現(xiàn)軸流風(fēng)扇葉片形狀會(huì)對(duì)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生影響,但該研究的聲壓級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有近6 dB的誤差。文獻(xiàn)[3]將分體式空調(diào)機(jī)作為研究對(duì)象,使用Fluent軟件中的FW-H聲類比模型對(duì)不同葉片參數(shù)下風(fēng)扇的流場(chǎng)特性和聲場(chǎng)特性進(jìn)行了分析和比較,并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。國內(nèi)研究者對(duì)軸流風(fēng)扇產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲也做了相應(yīng)研究。文獻(xiàn)[4]將單獨(dú)的小型軸流風(fēng)扇作為研究對(duì)象,使用Fluent中的RNGk-ε模型對(duì)風(fēng)扇流動(dòng)特性進(jìn)行了分析,指出葉尖會(huì)產(chǎn)生渦流,葉尖渦撞擊相鄰葉片表面會(huì)對(duì)氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生較大的影響;但沒有使用聲場(chǎng)仿真對(duì)氣動(dòng)噪聲的輻射水平進(jìn)行相應(yīng)分析。文獻(xiàn)[5]使用Fluent中的大渦模擬(large eddy simulation,LES)和FW-H聲類比模型對(duì)軸流風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明葉片尾緣渦脫落產(chǎn)生寬頻噪聲,葉尖渦產(chǎn)生離散噪聲,聲場(chǎng)結(jié)果表明仿真計(jì)算的基頻與理論計(jì)算的基頻相符。文獻(xiàn)[6]使用Fluent軟件中的LES模型和FW-H聲類比模型對(duì)3種不同葉片類型軸流風(fēng)扇的流場(chǎng)特性和聲場(chǎng)特性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)后掠風(fēng)扇的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)比其他類型風(fēng)扇下降了1.1 dB;但風(fēng)扇基頻處仿真數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值存在一定誤差,誤差達(dá)10%。文獻(xiàn)[7]使用Fluent軟件的FW-H聲類比模型對(duì)風(fēng)機(jī)蝸舌和蝸殼的噪聲水平進(jìn)行了仿真計(jì)算,并對(duì)室內(nèi)機(jī)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化;但發(fā)現(xiàn)噪聲仿真數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值存在一定誤差,原因是FW-H模型是針對(duì)自由空間的聲傳播提出的,實(shí)際模型則是在非自由場(chǎng)中,噪聲源會(huì)受到機(jī)殼的影響,因此氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)存在較大誤差。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)大多使用Fluent對(duì)單個(gè)獨(dú)立風(fēng)扇產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值仿真,而忽略了周圍結(jié)構(gòu)對(duì)聲場(chǎng)計(jì)算的影響,因此在風(fēng)扇周圍結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí),該類方法會(huì)產(chǎn)生較大的數(shù)值仿真誤差。此外,目前國內(nèi)外對(duì)光伏逆變器散熱系統(tǒng)噪聲水平的數(shù)值仿真研究仍較少。

針對(duì)上述問題,本文采用混合仿真的方法,將光伏逆變器散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇的影響考慮在內(nèi),進(jìn)行流場(chǎng)和聲場(chǎng)分析,并對(duì)進(jìn)氣格柵進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn),以降低光伏逆變器散熱系統(tǒng)的噪聲水平。

1 流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算

1.1 幾何模型簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分

光伏逆變器主要用于直流電與交流電變換裝置,也可用于交流供電設(shè)備。逆變器散熱系統(tǒng)主要采用2個(gè)小型軸流風(fēng)扇進(jìn)行散熱。軸流風(fēng)扇主要參數(shù)為:葉片7個(gè),風(fēng)扇外徑56 mm,葉頂間隙3 mm,轉(zhuǎn)速9 000 r/min。

逆變器初始模型較為復(fù)雜,如圖1a所示。為了便于模型劃分網(wǎng)格和提高網(wǎng)格質(zhì)量,需要對(duì)初始模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,主要是去除螺栓孔、線纜孔、流道內(nèi)的倒角等細(xì)小部分,簡(jiǎn)化后的逆變器模型如圖1b所示。

圖1 逆變器模型

在實(shí)際工況中,為了模擬真實(shí)情況,將逆變器散熱系統(tǒng)的入風(fēng)口區(qū)域和出風(fēng)口區(qū)域進(jìn)行延長(zhǎng),同時(shí)將2個(gè)軸流風(fēng)扇分別使用2個(gè)旋轉(zhuǎn)域包絡(luò)在內(nèi),從而將流體域劃分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域,如圖2所示。

圖2 計(jì)算區(qū)域劃分

使用HyperMesh劃分網(wǎng)格。由于散熱系統(tǒng)和風(fēng)扇周圍的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,同時(shí)為了很好地捕捉壓力梯度和流場(chǎng)特性,在風(fēng)扇周圍的旋轉(zhuǎn)區(qū)域和風(fēng)扇架附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,近壁面使用壁面函數(shù)進(jìn)行處理。劃分后網(wǎng)格總數(shù)為1.074 42×107,檢查網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求后導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。

1.2 邊界條件設(shè)置

在流體數(shù)值計(jì)算方法中要讓物理問題有唯一解,必須要指定邊界上的物理量。由于整個(gè)模型在開式空間內(nèi),為了能夠較好地模擬實(shí)際情況,將除地面以外的其他面作為壓力邊界,從中間劃分為2個(gè)不同的壓力邊界,一側(cè)是壓力入口邊界,另一側(cè)是壓力出口邊界。由于邊界距離風(fēng)扇有較遠(yuǎn)的距離,因此壓力入口邊界和壓力出口邊界可以視為常壓條件,靜壓設(shè)置為大氣壓力。風(fēng)扇葉片壁面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面條件,設(shè)置壁面相對(duì)速度為0,其他邊界使用無滑移壁面邊界條件。風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)域使用多重參考系(multiple reference frame,MRF)來模擬風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn),設(shè)置旋轉(zhuǎn)域轉(zhuǎn)速為9 000 r/min,靜止域和流動(dòng)域之間使用interface進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

1.3 物理模型和計(jì)算方法選擇

物理模型的選擇會(huì)對(duì)流場(chǎng)結(jié)果的準(zhǔn)確性有較大的影響。因?yàn)檫x擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在強(qiáng)旋流或者帶有彎曲壁面流動(dòng)時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)一定的失真[8],另外考慮到散熱系統(tǒng)流道較為復(fù)雜,所以選擇使用RNGk-ε模型。該模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的修正,主要是對(duì)湍流耗散率方程進(jìn)行修正,以提高強(qiáng)應(yīng)變流動(dòng)的模擬精度。具體的流動(dòng)控制方程[8]如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

其中:ρ為流體密度;t為時(shí)間;xi為空間坐標(biāo);k為湍動(dòng)能;ε為湍流耗散率;ui為時(shí)均速度;μeff=μ+μt,μt=ρCμk2/ε,μ為流體動(dòng)力黏度;Gk為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng);R為用重整化群方法推導(dǎo)的函數(shù)項(xiàng);C1ε、C2ε、C3ε、η0、β、Cμ為常系數(shù);αk、αε分別為湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效湍流普朗特?cái)?shù)的倒數(shù);Eij為時(shí)均應(yīng)變率。

首先進(jìn)行定常計(jì)算,求解器使用SIMPLEC算法,使用默認(rèn)的收斂因子，當(dāng)各項(xiàng)殘差趨于穩(wěn)定,且進(jìn)出口的質(zhì)量流保持在0.046 2 kg/s,即視為收斂；然后進(jìn)行非定常計(jì)算,計(jì)算時(shí)使用非穩(wěn)態(tài)雷諾平均模型,設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-5s,時(shí)間步數(shù)為800。

1.4 流場(chǎng)特性分析

在對(duì)流場(chǎng)特性進(jìn)行分析時(shí),考慮到2個(gè)風(fēng)扇結(jié)構(gòu)相同,周圍流道環(huán)境相似,使得2個(gè)風(fēng)扇葉片內(nèi)部流場(chǎng)特性相似,因此下面只選擇其中一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行舉例分析。根據(jù)現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，葉尖渦產(chǎn)生的非定常脈動(dòng)載荷是產(chǎn)生風(fēng)扇離散噪聲的主要原因[5],因此在風(fēng)扇的軸向方向做截圖,具體截面位置如圖3所示,繪制出流線圖和靜壓云圖。

圖3 截面位置

風(fēng)扇葉片尖漩渦位置如圖4所示。從圖4a可以看出,相鄰葉片之間存在較大的壓差,導(dǎo)致氣流在葉片間產(chǎn)生較強(qiáng)的對(duì)流,從而在葉片中間位置形成漩渦。對(duì)比圖4a與圖4b可以看出,漩渦中心朝向吸力面移動(dòng);而從圖4d可以看出,漩渦完全消失。

圖4 風(fēng)扇葉片尖漩渦位置

因?yàn)殇鰷u會(huì)使得葉片表面產(chǎn)生較大的壓力脈動(dòng),通過觀察不同的截面圖,發(fā)現(xiàn)漩渦主要出現(xiàn)在葉片前緣的葉尖附近,所以可以推斷靠近前緣位置的葉片表面壓力脈動(dòng)較大。

為了更好地說明葉片表面壓力脈動(dòng)和漩渦有較大的關(guān)系,繪制相同風(fēng)扇葉片表面的靜壓云圖,如圖5所示。

圖5a中,葉片前緣位置A壓力偏差較大,負(fù)壓接近120 Pa,對(duì)應(yīng)在聲壓級(jí)云圖5c中,位置C的聲壓級(jí)明顯大于其他位置;同樣,在整個(gè)葉片表面B位置的壓力偏差也較大,相應(yīng)的聲壓級(jí)云圖中,位置D的聲壓級(jí)比周圍區(qū)域大。圖5b中,吸力面負(fù)壓最大的位置靠近葉片前緣的位置E,最大負(fù)壓達(dá)到220 Pa;對(duì)比聲壓級(jí)云圖5d中,聲壓級(jí)最大的位置是靠近葉片前緣的F區(qū)域,并沿著風(fēng)扇葉片表面的順時(shí)針方向逐漸變小。通過對(duì)比靜壓分布和聲源面聲壓級(jí)分布,證明了聲源表面聲壓級(jí)受到壓力脈動(dòng)的影響,壓力脈動(dòng)量大,相應(yīng)聲源表面的聲壓級(jí)也會(huì)增大。

圖5 風(fēng)扇葉片云圖分析

選擇風(fēng)扇軸線方向流道內(nèi)靜壓云圖進(jìn)行分析,流道內(nèi)截面靜壓云圖如圖6所示。

圖6 流道內(nèi)截面靜壓云圖

從圖6b可以看出,圖中標(biāo)出來的位置是流道內(nèi)壓力波動(dòng)最大的區(qū)域,主要位于風(fēng)扇周圍和距離風(fēng)扇出風(fēng)口近的散熱翅片處。其中:靠近風(fēng)扇吸力面的區(qū)域形成很大的負(fù)壓區(qū),壓力面附近是正壓區(qū),因?yàn)樵谠撐恢卯a(chǎn)生較大的壓力波動(dòng),所以在風(fēng)扇附近會(huì)形成較大的渦流,氣流在軸流風(fēng)扇附近有很大的擾動(dòng);其他區(qū)域的壓力無論從數(shù)值大小還是波動(dòng)范圍上都是較小的。一般壓力波動(dòng)大的區(qū)域會(huì)形成湍流,會(huì)對(duì)噪聲產(chǎn)生一定的影響。

2 氣動(dòng)聲學(xué)數(shù)值計(jì)算

目前,氣動(dòng)噪聲的數(shù)值計(jì)算方法可以分為以下3種[9]:計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法、萊特希爾聲類比方法和混合計(jì)算方法。考慮到本文所研究的實(shí)際模型主要噪聲源處于結(jié)構(gòu)體內(nèi)部,聲源周圍的結(jié)構(gòu)對(duì)聲場(chǎng)的影響不容忽視,因此本文所采用的方法是混合計(jì)算方法,可以將模型壁面對(duì)聲輻射中的散射和反射考慮到數(shù)值計(jì)算中。

2.1 聲學(xué)計(jì)算方法

因?yàn)轱L(fēng)扇是主要的噪聲源,所以在進(jìn)行混合計(jì)算時(shí),噪聲源選為風(fēng)扇葉片。使用Fluent計(jì)算得到2個(gè)風(fēng)扇表面的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù),然后將其作為等效聲源計(jì)算的輸入量。在LMS.Virtual.lab中定義扇聲源時(shí),葉片相對(duì)于聲波波長(zhǎng)非常小時(shí),可以當(dāng)作一個(gè)聲源來處理,但是實(shí)際情況中,葉片尺寸一般較大,因此對(duì)其進(jìn)行分段處理,每個(gè)分段等效為1個(gè)源,分段結(jié)果如圖7所示。

圖7 等效聲源劃分結(jié)果

根據(jù)對(duì)葉輪機(jī)械氣動(dòng)噪聲聲源類型的分析發(fā)現(xiàn),可以將軸流風(fēng)扇的噪聲分為單極子噪聲源(葉片厚度噪聲)、偶極子噪聲源和四極子噪聲源。經(jīng)過估算流道內(nèi)馬赫數(shù),其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于考慮單極子聲源的閾值0.6和考慮四極子聲源的閾值0.8[10],因此只需要考慮葉片表面壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的等效偶極子聲源。

對(duì)聲場(chǎng)計(jì)算空間進(jìn)行離散時(shí),采用完美匹配層(automatic matched layer,AML)技術(shù)將空間區(qū)域進(jìn)行截?cái)嗵幚?在封閉區(qū)域內(nèi)建立聲學(xué)網(wǎng)格,如圖8所示。

圖8中:劃分的聲學(xué)體網(wǎng)格為10 mm;單元總數(shù)為1.20×106。假設(shè)流體聲速為340 m/s,理論計(jì)算最高頻率為5 666 Hz,基本包括了基頻和二、三階次諧波,滿足分析要求。

圖8 聲學(xué)計(jì)算模型

離散場(chǎng)點(diǎn)的定義參考GB/T6882—2016標(biāo)準(zhǔn)[11]定義20個(gè)場(chǎng)點(diǎn),這些場(chǎng)點(diǎn)位于一個(gè)2 m的半球面上,之后通過聲學(xué)有限元方法計(jì)算各個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的響應(yīng)函數(shù)。

2.2 聲場(chǎng)特性分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法參考GB/T6882—2016標(biāo)準(zhǔn)[11]進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試需要在消聲室或半消聲室內(nèi)進(jìn)行,測(cè)量面選擇半球面,一共是20個(gè)測(cè)點(diǎn)。實(shí)際測(cè)試時(shí),保證同仿真的實(shí)際工況一樣,將樣機(jī)平放置在半消聲室地面上進(jìn)行測(cè)試,并讓2個(gè)風(fēng)扇保持9 000 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行到穩(wěn)定狀態(tài),然后進(jìn)行測(cè)試,如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

風(fēng)扇的基頻和諧波的計(jì)算公式為:

(5)

其中:n為風(fēng)扇轉(zhuǎn)速;z為風(fēng)扇葉片數(shù);i為諧波序號(hào)。計(jì)算得到風(fēng)扇9 000 r/min所對(duì)應(yīng)的基頻為1 050 Hz,二次諧波為2 100 Hz,三次諧波為3 150 Hz。

20個(gè)測(cè)點(diǎn)處聲壓平均后的1/3倍頻圖如圖10所示。

圖10 1/3倍頻圖對(duì)比

將實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)扇通過頻率處的倍頻帶聲壓級(jí)明顯大于其他頻帶,進(jìn)一步驗(yàn)證了整個(gè)頻帶內(nèi)風(fēng)扇諧頻噪聲貢獻(xiàn)最大,而且這些頻帶的聲壓級(jí)誤差較小,最大誤差不超過4 dB,基本接近實(shí)驗(yàn)數(shù)值。除此以外,某些噪聲頻率段有誤差較大的問題,主要原因在于整個(gè)散熱系統(tǒng)的噪聲由風(fēng)扇的離散單音和寬頻噪聲組成,寬頻噪聲中主要包含壁面壓力波動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲以及流道內(nèi)的空間四極子噪聲,同時(shí)由于風(fēng)扇固定架可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),也會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲,而實(shí)際進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算時(shí)未考慮這些因素的影響,因此數(shù)值仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在寬頻內(nèi)一致性不好也是較為合理的。

各測(cè)點(diǎn)處A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)的計(jì)算公式為:

(6)

其中:i為1/3倍頻程中心頻率序號(hào);n為1/3倍頻程中心頻率總個(gè)數(shù);Lpi為1/3倍頻程中心頻率處的聲壓級(jí);Lp為總聲壓級(jí)。

通過計(jì)算得到20個(gè)測(cè)點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí),并且與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出,整體的聲壓級(jí)誤差較小,而且20個(gè)測(cè)點(diǎn)的整體趨勢(shì)也符合實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的聲壓級(jí),說明了數(shù)值仿真模型的可靠性和合理性。

圖11 總聲壓級(jí)對(duì)比

參考GB/T6882—2016標(biāo)準(zhǔn)[11]中聲功率級(jí)計(jì)算公式,計(jì)算出聲源輻射噪聲的聲功率級(jí),用于衡量噪聲源的強(qiáng)度,即

(7)

3 進(jìn)氣格柵對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響研究

從上述分析結(jié)果可以看出,風(fēng)扇是主要的噪聲源。實(shí)際產(chǎn)品制造過程中,風(fēng)扇是標(biāo)準(zhǔn)件,光伏逆變器生產(chǎn)廠家無法對(duì)風(fēng)扇本身進(jìn)行自主優(yōu)化設(shè)計(jì),但由于進(jìn)氣口距離軸流風(fēng)扇較近,進(jìn)氣格柵會(huì)使散熱風(fēng)扇進(jìn)氣氣流不均勻,從而產(chǎn)生較大的湍流和漩渦,影響風(fēng)扇表面的壓力脈動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生較大的噪聲。

為了驗(yàn)證上述推測(cè)的合理性,對(duì)進(jìn)氣格柵是否影響軸流風(fēng)扇表面的壓力脈動(dòng)進(jìn)行分析研究,同時(shí)對(duì)比分析有、無進(jìn)氣格柵對(duì)整體氣動(dòng)噪聲的影響。

進(jìn)氣格柵改進(jìn)前、后的對(duì)比如圖12所示。

圖12 進(jìn)氣格柵改進(jìn)前后對(duì)比

3.1 進(jìn)氣格柵對(duì)流場(chǎng)的影響分析

按照相同的條件進(jìn)行仿真計(jì)算并觀察風(fēng)扇吸力面的靜壓,得到改進(jìn)前、后風(fēng)扇模型靜壓云圖,如圖13所示。

從圖13可以看出,多個(gè)葉片表面的負(fù)壓區(qū)域范圍明顯減小,壓力波動(dòng)的范圍也有所減小,說明進(jìn)氣格柵對(duì)風(fēng)扇表面的壓力脈動(dòng)影響較大,在去掉進(jìn)氣格柵以后,氣流流入更加均勻,壓力波動(dòng)也有所減弱。結(jié)合之前對(duì)壓力波動(dòng)的分析,壓力波動(dòng)會(huì)影響噪聲的大小,因此可以推斷改進(jìn)后的模型噪聲水平會(huì)有所降低。

圖13 改進(jìn)前、后風(fēng)扇模型靜壓云圖

改進(jìn)前、后聲源表面聲壓級(jí)云圖對(duì)比結(jié)果如圖14所示。

圖14 改進(jìn)前、后聲源表面聲壓級(jí)云圖

由圖14可知,聲壓級(jí)云圖改進(jìn)前、后趨勢(shì)一致,但是改進(jìn)后聲源面最大的聲壓級(jí)降低了2 dB。從流場(chǎng)仿真計(jì)算中對(duì)出口流量的監(jiān)控發(fā)現(xiàn),在去掉進(jìn)氣格柵以后,風(fēng)扇出口流量保持在0.046 5 kg/s,與帶有進(jìn)氣格柵的風(fēng)扇出口流量基本保持一致,主要是因?yàn)闆]有對(duì)風(fēng)扇做改動(dòng),從而能夠保證對(duì)散熱效果沒有太大影響。

3.2 進(jìn)氣格柵對(duì)聲場(chǎng)的影響與降噪效果驗(yàn)證

聲場(chǎng)仿真計(jì)算使用同樣的方法和參數(shù),得到1/3倍頻圖和各測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí),再與原模型計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖15所示。

從圖15可以看出,大多數(shù)頻帶聲壓級(jí)都有明顯的下降趨勢(shì),尤其是高頻段的聲壓級(jí)下降較大,而且在風(fēng)扇的通過頻率段聲壓級(jí)下降得也較為明顯。這說明在改進(jìn)進(jìn)氣格柵以后,風(fēng)扇葉片自身的壓力脈動(dòng)有所減小,進(jìn)而使得噪聲輻射水平出現(xiàn)了明顯降低。

圖15 1/3倍頻圖數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

改進(jìn)前、后總聲壓級(jí)對(duì)比如圖16所示。由圖16a可知,仿真模型總聲壓對(duì)比中，所有測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)相較于改進(jìn)前都有所減小,聲壓級(jí)最高降低4.9 dB(A),最小降低0.84 dB(A)。

圖16 改進(jìn)前、后聲壓級(jí)對(duì)比

根據(jù)仿真的幾何模型,將實(shí)際的原模型進(jìn)行改進(jìn),在相同的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并按照之前的方法計(jì)算出總聲壓級(jí),并與原模型進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖16b所示。由圖16b可知:所有測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)都有所降低,最大降低2.36 dB(A);使用(7)式計(jì)算得到聲功率級(jí)為67.21 dB(A),對(duì)比原模型降低了1.95 dB(A)。

4 結(jié) 論

本文以光伏逆變器作為研究對(duì)象,對(duì)其散熱系統(tǒng)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲問題進(jìn)行分析研究,在研究中考慮風(fēng)扇周圍結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇的影響,采用混合仿真的方法對(duì)散熱系統(tǒng)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。通過對(duì)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果和聲場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn):

(1) 風(fēng)扇葉片間的漩渦主要出現(xiàn)在葉片前緣位置,并朝著負(fù)壓區(qū)域移動(dòng),直到最后耗散,漩渦的出現(xiàn),對(duì)風(fēng)扇葉片表面的壓力脈動(dòng)有較大的影響。

(2) 葉片表面的壓力脈動(dòng)和噪聲的輻射水平有關(guān),當(dāng)葉片上的壓力波動(dòng)量大時(shí),作為噪聲源的葉片表面的聲壓級(jí)也會(huì)相應(yīng)增大,進(jìn)而提高噪聲的輻射水平。

(3) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用混合方法能夠較好地預(yù)測(cè)非自由場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲水平,在諧頻處聲壓級(jí)誤差較小,不同位置測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)誤差在可接受的范圍內(nèi),基本能夠滿足實(shí)際工程需要。

(4) 通過對(duì)比有、無進(jìn)氣格柵的2種蓋板發(fā)現(xiàn)，進(jìn)氣結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)葉片表面的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)去掉進(jìn)氣格柵以后,葉片吸力面壓力波動(dòng)區(qū)域有所減小,同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)得到的遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)進(jìn)行分析,噪聲有減小的趨勢(shì),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該趨勢(shì)的一致性,說明該仿真模型能夠較好地預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的輻射水平。