發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲研究及仿生學(xué)改進(jìn)

曾志新,馮博,崔振華,董愚

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司 汽車(chē)工程研究院,廣州 511434)

散熱器風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要部件,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率越來(lái)越高,不得不選擇直徑更大、功率更高的風(fēng)扇進(jìn)行散熱,然而由此產(chǎn)生的風(fēng)扇噪聲對(duì)駕乘舒適性產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)的噪聲來(lái)源多樣,主要是機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、電磁噪聲和氣動(dòng)噪聲,其中氣動(dòng)噪聲是最主要的聲源。因此研究風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)對(duì)降低風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲、提升整車(chē)舒適性及品質(zhì)有著重要的意義。

目前,國(guó)內(nèi)外同行專(zhuān)家對(duì)風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲做了很多成果性的研究。文獻(xiàn)[1]中闡述了風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生的原因,通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,分析葉片布置形式對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的影響。結(jié)果表明,葉片不等距布置,能夠一定程度上降低噪聲。文獻(xiàn)[2]中采用大渦模擬(Large eddy simulation,LES)的方法來(lái)捕捉對(duì)風(fēng)扇脫葉尖泄漏的流動(dòng)現(xiàn)象,結(jié)論表明間隙的大小會(huì)影響葉尖泄漏渦的大小形狀。此外,間隙中更多的分離現(xiàn)象和反向旋轉(zhuǎn)渦會(huì)導(dǎo)致較低的湍流動(dòng)能。在仿生降噪領(lǐng)域,文獻(xiàn)[3]中通過(guò)結(jié)合FW-H方程大渦模擬,對(duì)仿生長(zhǎng)耳鸮齒形結(jié)構(gòu)葉片進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了仿生長(zhǎng)耳鸮尾緣葉片的氣動(dòng)噪聲控制機(jī)理,結(jié)果表明非光滑葉片表面結(jié)構(gòu)可降低翼型表面紊流附面層壓力脈動(dòng)強(qiáng)度,有效延緩翼型繞流場(chǎng)附面層分離及尾渦脫落;規(guī)則排列的條紋結(jié)構(gòu)具有良好的導(dǎo)流作用,可降低氣動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[4]中從工程仿生學(xué)角度出發(fā),基于鳥(niǎo)類(lèi)無(wú)聲飛行的原理,深入研究了仿生鋸齒造型的低噪機(jī)理。通過(guò)逆向重構(gòu)技術(shù),建立耦合仿真模型,通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),該結(jié)構(gòu)能顯著降低風(fēng)扇的噪聲,同時(shí)進(jìn)行多組正交優(yōu)化試驗(yàn),為風(fēng)扇的進(jìn)一步降噪設(shè)計(jì)提供了參考。這些研究表明使用大渦模擬是風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬的主流方法,通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和分析論證,基于鳥(niǎo)類(lèi)仿生降噪結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的降低有較大作用,但是目前基于分離渦方法(Detached eddy simulation,DES)對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲進(jìn)行數(shù)值模擬的研究不多,尤其在鯊魚(yú)背鰭仿生結(jié)構(gòu)對(duì)散熱器風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲影響的研究就更少

本文中將整個(gè)冷卻模塊進(jìn)行網(wǎng)格離散,保留散熱水室、護(hù)風(fēng)罩、電機(jī)殼體等重要特征,采用分離渦(DES)方法進(jìn)行對(duì)散熱器風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬,分析了瞬態(tài)壓力渦流和速度梯度,同時(shí)使用FW-H方程進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲后處理;然后通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬與風(fēng)扇噪聲試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)距離風(fēng)扇中心1 m處的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)誤差在2%以?xún)?nèi),在一定程度上驗(yàn)證了分離渦(DES)數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性;最后基于鯊魚(yú)背鰭的仿生學(xué)降噪機(jī)理,對(duì)鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì),采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行優(yōu)化方案選擇。

1 氣動(dòng)噪聲及CFD理論

FW-H方程是以波動(dòng)方程為基礎(chǔ),將Lighthill和Curle方程推廣到運(yùn)動(dòng)的固體邊界,適用于旋轉(zhuǎn)邊界與流體相互作用所導(dǎo)致的噪聲,可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲,其表達(dá)方程式為

(1)

式中:等號(hào)右邊第1 項(xiàng)是Lighthill 聲源項(xiàng),表示流體運(yùn)動(dòng)引起的四極子聲源;第2 項(xiàng)是脈動(dòng)壓力聲源項(xiàng),表面作用流體上的力引起的偶極子聲源;第3 項(xiàng)是加速度導(dǎo)致的聲源項(xiàng),表示容積移動(dòng)效應(yīng)的單極子聲源[5]。

Proudman 噪聲源模型可計(jì)算每單位體積的聲功率,是四極子聲源模型,例如,風(fēng)扇葉片周?chē)膮^(qū)域。Proudman 模型假設(shè)各向同性湍流。根據(jù)湍流速度比例和湍流長(zhǎng)度尺度,因單位體積的各向同性湍流而產(chǎn)生的局部聲功率 (W/m3) 公式為

(2)

式中:ρ0為遠(yuǎn)場(chǎng)密度;U為湍流速度;L為湍流長(zhǎng)度尺度;c為遠(yuǎn)場(chǎng)聲速;αc為重新縮放系數(shù),αc=0.629[6]。散熱器風(fēng)扇在實(shí)際工作過(guò)程中雖然屬于低馬赫數(shù)狀態(tài),但是葉片附近流體在葉片表面升阻力的作用下,速度發(fā)生高速變化,而速度的變化會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致當(dāng)?shù)亓?/p>

體壓力的變化,從而導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生,同時(shí)風(fēng)扇出口的氣流與外界空氣快速混合時(shí)會(huì)形成湍流脈動(dòng)。因此在研究風(fēng)扇葉片周?chē)鷧^(qū)域氣動(dòng)特性時(shí),四極子聲源是不可忽略的。

對(duì)于風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的瞬態(tài)數(shù)值模擬,使用SSTk-ω分離渦模型,因?yàn)樵撃Ｐ蛯⑦吔鐚又?SSTk-ωRANS模型的功能與非穩(wěn)態(tài)分離區(qū)域中的大渦模擬(LES) 的功能相結(jié)合,使用基礎(chǔ) RANS 封閉模型來(lái)求解邊界層和無(wú)旋流區(qū)域;遠(yuǎn)壁面區(qū)域采用LES求解,較好地模擬大尺度分離湍流流動(dòng)的狀態(tài)。通過(guò)修改湍動(dòng)能傳輸方程中的耗散項(xiàng)可獲得SSTk-ω模型的 DES公式[7]。

(3)

且φ定義為

φ=max(lratioF，1)

(4)

長(zhǎng)度尺度比計(jì)算如下:

(5)

(6)

lLES=CDESΔ

(7)

F=1-F2

(8)

(9)

當(dāng)φ=1時(shí),恢復(fù)RANS求解,當(dāng)φ>1時(shí),使用LES求解

CDES=CDES,k-ωF1+CDES,k-ε(1-F1)

(10)

F1=tanh×

CDES,k-ω(1-F1)

(11)

式中：k為湍動(dòng)能;Δ為考慮的網(wǎng)格單元中心和相鄰單元的網(wǎng)格單元中心之間的最大距離;CDES,k-ω和CDES,k-ε為模型系數(shù)[8];d為到壁面的距離;ν為運(yùn)動(dòng)粘度;CDkω為交叉擴(kuò)散系數(shù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及計(jì)算域

為了與后續(xù)的優(yōu)化方案對(duì)比,現(xiàn)對(duì)使用帶有原型風(fēng)扇的冷卻模塊進(jìn)行數(shù)值模擬,冷卻模塊包含散熱器水室、護(hù)風(fēng)罩、風(fēng)扇及電機(jī)。風(fēng)扇為軸流吸風(fēng)式不等節(jié)距風(fēng)扇,并保留其上的全部幾何特征,同時(shí)對(duì)其他零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化,去除護(hù)風(fēng)罩后面不重要的電子元器件,簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 冷卻模塊簡(jiǎn)化模型

試驗(yàn)是在半消音室里進(jìn)行測(cè)試的,因此,建立與半消音室一樣大小的計(jì)算域,長(zhǎng)度為10.4 m高度為6.4 m,寬度,7.6 m,冷卻模塊下端面距離地面高度為1.25 m,計(jì)算域入口距模型為4.2 m,兩側(cè)壁面距模型都為3.4 m,出口距模型,如圖2所示。

圖2 計(jì)算域示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

為減小計(jì)算量和提高計(jì)算精度,將冷卻模塊的各零部件劃分為不同的計(jì)算網(wǎng)格,風(fēng)扇是重點(diǎn)研究對(duì)象,進(jìn)行局部加密,面網(wǎng)格尺寸為0.6～1 mm,護(hù)風(fēng)罩面網(wǎng)格為2～3 mm;散熱器及其他零部件網(wǎng)格為3～5 mm。根據(jù)所建立的面網(wǎng)格生成多面體網(wǎng)格,以冷卻模塊為中心進(jìn)行為3層體網(wǎng)格加密,為了捕捉葉片周?chē)牧鲃?dòng),葉片及風(fēng)扇區(qū)域網(wǎng)格單獨(dú)加密[9],葉片局部網(wǎng)格截面圖如圖3所示。

圖3 葉片邊界層網(wǎng)格示意圖

根據(jù)SSTk-ω分離渦模型使用條件,采用全Y+壁面處理,取Y+=2,取葉片平均厚度2 mm為特征長(zhǎng)度,計(jì)算得出第一層邊界層厚度為0.06 mm,共20層。邊界層結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 邊界層結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬使用STAR CCM+軟件模擬風(fēng)扇在額定轉(zhuǎn)速2 540 r/min下的工況。由于風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的流量和壓力脈動(dòng)是可壓縮現(xiàn)象,這些脈動(dòng)會(huì)在系統(tǒng)中累積質(zhì)量,而不可壓縮計(jì)算不允許這種情況,因此,即使在馬赫數(shù)較低的情況下,依然使用可壓縮流體進(jìn)行模擬,同時(shí)為了避免壓力反射,將計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置為自由流邊界。散熱器芯體使用多孔介質(zhì)模擬,根據(jù)單品試驗(yàn)的P-Q曲線(xiàn),得出流動(dòng)方向上的慣性阻力系數(shù)為172.95 kg/m4,黏性阻力系數(shù)為786.03 kg/(m3·s);瞬態(tài)數(shù)值模擬時(shí),時(shí)間離散方式為2階,分離流屬性設(shè)置為2階迎風(fēng)與有界-中心混合模式,分離流的壓力、速度亞松弛因子分別設(shè)為0.2和0.6。邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

進(jìn)行風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲瞬態(tài)數(shù)值模擬時(shí),為了能夠捕捉到葉片附近的脫落渦,選擇正確的時(shí)間步長(zhǎng)是至關(guān)重要的[10];通常對(duì)對(duì)流庫(kù)朗數(shù)、單位時(shí)間旋轉(zhuǎn)角度和斯特勞哈數(shù)(Strouhal number)[11]3個(gè)條件進(jìn)行時(shí)間步的評(píng)估,并選擇最小值。為了保證單位時(shí)間步長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)角度至少為1°,時(shí)間步長(zhǎng)為

Δt=1/Nω

(12)

式中:N為葉片數(shù);ω為旋轉(zhuǎn)速度。

通過(guò)公式(12)計(jì)算的得出的時(shí)間步長(zhǎng)最小,值為5.62×10-5s,圓整后取5.0×10-5s為時(shí)間步長(zhǎng)。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲瞬態(tài)分析中,創(chuàng)建X和Z截面來(lái)研究風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)的流場(chǎng)情況及其氣動(dòng)特性。在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)中心作X截面平行于YOZ平面;Y截面平行于XOZ平面,距離風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域出口12 mm,用于捕捉風(fēng)扇后緣區(qū)域的流場(chǎng)情況,如圖5所示。

圖5 截面位置示意圖

圖6是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后,一個(gè)周期(0.36～0.387 s)內(nèi)Y截面壓力云圖和X截面速度云圖。由Y截面的總壓云圖可知,葉片流道中上部區(qū)域壓力較高,在葉頂和輪轂處存在一定的壓降,所以葉片主要在流道的中上部區(qū)域進(jìn)行做功;在每個(gè)葉片的尾緣區(qū)域上都存在一個(gè)較大的壓力梯度密集的渦流中心,所以氣流經(jīng)過(guò)葉片尾緣處會(huì)出現(xiàn)漩渦脫落而產(chǎn)生瞬時(shí)的周期性壓力脈動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生尾緣脫落的漩渦噪聲。由X截面的速度云圖可知,流量主要集中在葉片上半部,同時(shí)與Y截面對(duì)應(yīng)的尾緣區(qū)域也存在速度梯度密集的渦流中心;另外從整體的冷卻模塊的結(jié)構(gòu)角度出發(fā),在一個(gè)周期中,當(dāng)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)到散熱器底部時(shí)會(huì)出現(xiàn)比葉片在散熱器頂部時(shí)更多更密集的渦,主要原因是由于散熱器頂部存在密封條。

圖6 瞬態(tài)流場(chǎng)云圖

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行,噪聲測(cè)量時(shí),有背景噪聲和測(cè)試儀器內(nèi)部構(gòu)成的噪聲至少小于被測(cè)聲音15 dB(A)。將冷卻模塊按照實(shí)車(chē)狀態(tài)安裝在專(zhuān)業(yè)工裝之上。根據(jù)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 773-2006要求,風(fēng)扇是吸風(fēng)式風(fēng)扇,需要將麥克風(fēng)安裝散熱器前距離風(fēng)扇電機(jī)中心1 m的位置,同時(shí)在距離地面1.5 m,麥克風(fēng)位置如圖7所示。使用穩(wěn)壓電源給風(fēng)扇供電,并用萬(wàn)用表測(cè)量風(fēng)扇控制器兩端輸入電壓,試驗(yàn)電壓為13 V,即對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速2 540 r/min,風(fēng)扇運(yùn)行5 min后進(jìn)行測(cè)試。

圖7 麥克風(fēng)測(cè)試位置示意圖

對(duì)測(cè)試參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置,選擇FFT分析方式,分析頻率帶寬不低于6.4 kHz,對(duì)應(yīng)采樣頻率為16 kHz,頻譜線(xiàn)為6400,重疊率為66.7%,平均方式為線(xiàn)性平均,信號(hào)為A計(jì)權(quán),采樣時(shí)間20 s。具體測(cè)試設(shè)備如表2所示。

表2 測(cè)試設(shè)備參數(shù)表

3.2 數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

為了與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,數(shù)值模擬的監(jiān)測(cè)點(diǎn)(point-receiver-0)也位于距離風(fēng)扇電機(jī)中心1 m的位置,如圖8所示。麥克風(fēng)位置處的試驗(yàn)與仿真聲壓級(jí)對(duì)比曲線(xiàn)圖如圖9所示。

圖8 聲壓級(jí)采集點(diǎn)位置示意圖

圖9 麥克風(fēng)位置處試驗(yàn)與仿真聲壓級(jí)對(duì)比曲線(xiàn)圖

由圖可見(jiàn),試驗(yàn)與仿真的聲壓級(jí)曲線(xiàn)走向是一致的,在5 000 Hz之前可以準(zhǔn)確的捕捉到階次噪聲,5 000 Hz之后由于電機(jī)的電磁噪聲導(dǎo)致風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的階次噪聲難以捕捉,并且隨著頻率的升高聲壓級(jí)逐漸降低并趨于穩(wěn)定。風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲重點(diǎn)關(guān)注中低頻的階次噪聲,由于篇幅限制,列出前14階階次噪聲對(duì)比數(shù)據(jù),如表3所示：誤差范圍在11%以?xún)?nèi)。5 000 Hz內(nèi)數(shù)值模擬的總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為71.46 dB,試驗(yàn)值為72.90 dB,誤差在2%以?xún)?nèi),因此基于SSTk-ω分離渦模型的數(shù)值模擬精度較高,可以用于后續(xù)的單品風(fēng)扇優(yōu)化改進(jìn)方案。

表3 前14階階次噪聲對(duì)比表

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

4.1 葉片仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)化

風(fēng)扇工作時(shí),葉片前緣切割空氣,隨著葉片的旋轉(zhuǎn),空氣在葉片壓力面的作用下被壓縮和加速,空氣流過(guò)葉片表面從而產(chǎn)生摩擦噪聲和渦流噪聲。自然界中,生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化,形成了具有與環(huán)境適應(yīng)的軀體特征。對(duì)于鯊魚(yú)而言,雖然具有龐大的軀體,但游動(dòng)速度極快,其游動(dòng)時(shí)主要是靠身體、尾鰭控制推進(jìn),背鰭控制其穩(wěn)定性,鯊魚(yú)背鰭的造型類(lèi)似于飛機(jī)豎尾翼,前沿與脊椎交接,呈扁尖狀,其高度沿脊椎曲線(xiàn)向后逐漸增大。從氣動(dòng)噪聲的角度出發(fā),這種結(jié)構(gòu)能夠有效的抑制尾部流動(dòng)分離,降低噪聲[12-14]。

為此,將鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)應(yīng)用于葉片之上,抽取其結(jié)構(gòu)參數(shù),由于布置和工藝的限制,固定第一個(gè)背鰭結(jié)構(gòu)的中線(xiàn)到風(fēng)扇中的半徑R,通過(guò)改變其他參數(shù)尋找優(yōu)化方案,其中A為背鰭結(jié)構(gòu)的之間的間距;B為背鰭結(jié)構(gòu)的厚度;β為鰭結(jié)構(gòu)的中線(xiàn)與風(fēng)扇后緣邊線(xiàn)的焦點(diǎn)為起點(diǎn),按旋轉(zhuǎn)方向繞風(fēng)扇中心旋轉(zhuǎn)的角度,用來(lái)確定背鰭結(jié)構(gòu)的開(kāi)始位置,定義為定位角度;α為鰭結(jié)構(gòu)的中線(xiàn)與風(fēng)扇后緣邊線(xiàn)的焦點(diǎn)為起點(diǎn),按照旋轉(zhuǎn)方向的反方向旋轉(zhuǎn)繞風(fēng)扇中心旋轉(zhuǎn)的角度,即用來(lái)確定背鰭結(jié)構(gòu)伸出葉片后緣的距離C,定義為伸出角度,如圖10所示。

圖10 鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

4.2 鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是為了探究各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)聲學(xué)性能的影響,并獲得在設(shè)計(jì)水平內(nèi)的最優(yōu)解[15]。設(shè)計(jì)方案需要考慮伸出角度、厚度、定位角度、間距4個(gè)主要影響因素。通過(guò)綜合考慮原風(fēng)扇葉片間距、弦長(zhǎng)、葉型安裝角,葉片厚度等因素,確定伸出角水平分別為4°、6°和8°,厚度水平為2 mm、2.5 mm和3 mm,定位角度水平為12°、16°、19°,間距水平為20 mm、25 mm、30 mm。采用L9(34)正交表建立9個(gè)基于鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)的葉片模型,并與原型風(fēng)扇進(jìn)行對(duì)比,單品風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬結(jié)果見(jiàn)表4所示。

表4 數(shù)值模擬結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的極差分析,可知方案8的氣動(dòng)噪聲最小,總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)為65.94 dB,與原型單品風(fēng)扇相比降低3.64 dB;同時(shí)得出仿生結(jié)構(gòu)化參數(shù)對(duì)單品風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲影響程度的主次順序:其中定位角度β是影響風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲的最主要因素,其次是厚度B,然后是結(jié)構(gòu)間距A,最后是伸出角度α。

4.3 仿生改進(jìn)方案對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)原型風(fēng)扇和改進(jìn)方案8的數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在風(fēng)扇的尾緣區(qū)域處,方案8的湍動(dòng)能小于原型風(fēng)扇,湍動(dòng)能是表示流場(chǎng)中湍流脈動(dòng)的長(zhǎng)度和時(shí)間尺度,它可以在一定的程度上可以反映氣動(dòng)噪聲的大小,因此在方案8的在尾緣區(qū)域的氣動(dòng)噪聲值更低,減小了尾緣脫落的漩渦噪聲,如圖 11 所示。

圖11 湍動(dòng)能云圖對(duì)比

在圖12中,在Y=0截面上方案8λ2小于0的區(qū)域明顯小于原型風(fēng)扇,λ2的值小于0,則被解釋為渦旋區(qū)域,因此,方案8的漩渦區(qū)域有所減小,在一定程度上,有利于降低風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲。

圖12 Y=0截面λ2云圖對(duì)比

5 結(jié)論

1) SSTk-ω分離渦模型的數(shù)值模擬精度較高,與試驗(yàn)結(jié)果相比,總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)誤差在2%以?xún)?nèi),前14階各階次噪聲誤差在6.5%以?xún)?nèi)。

2) 風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)在每個(gè)葉片的尾緣區(qū)域上都存在一個(gè)較大的壓力梯度密集的渦流中心,氣流經(jīng)過(guò)葉片尾緣處會(huì)出現(xiàn)漩渦脫落而產(chǎn)生瞬時(shí)的周期性壓力脈動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生尾緣脫落的漩渦噪聲。

3) 根據(jù)正交試驗(yàn)原理,發(fā)現(xiàn)基于仿生學(xué)的鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)分別為:定位角度16°,厚度3 mm,結(jié)構(gòu)間距20 mm,伸出角度8°的方案最優(yōu),比原型風(fēng)扇的總A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)降低3.64 dB。

4) 通過(guò)對(duì)比原型風(fēng)扇和基于仿生學(xué)改進(jìn)方案的數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):鯊魚(yú)背鰭結(jié)構(gòu)能夠降低風(fēng)扇葉片尾緣區(qū)域的湍動(dòng)能,縮小漩渦區(qū)域,有利于減小風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲。