汽車?yán)鋮s風(fēng)扇葉片仿生設(shè)計與降噪分析

董月千尋，郭 浩，王書文

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

車輛行駛過程中產(chǎn)生的噪聲和振動會對車內(nèi)人員造成影響，當(dāng)達(dá)到一定的程度后，還會對環(huán)境造成噪聲污染。在我國一些生活水平較高的城市中，噪聲污染的投訴占到了污染投訴中的60%～70%，是亟待改善的社會問題[1]。近年來，研究人員將仿生與葉片設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，結(jié)合生物的部分或整體結(jié)構(gòu)或組織，設(shè)計新產(chǎn)品外形，對風(fēng)扇葉片進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到使其具有與仿生生物體類似的低噪聲特性[2]來提高乘車的舒適性，提高汽車在市場上的競爭力。冷卻風(fēng)扇的傳統(tǒng)研究主要集中在改變風(fēng)扇輪轂比、葉型、葉片安裝角及葉片數(shù)目等方面[3－6]。李娜等[7]在軸流風(fēng)扇葉片吸力面上設(shè)置了楔形結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)楔形結(jié)構(gòu)的存在能起到渦流發(fā)生器的作用，降低渦流引起的噪聲，同時還可提高風(fēng)量。在仿生降噪領(lǐng)域，多位研究人員對長耳鸮[8－10]翅膀的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)的降噪效果較好，并將其運(yùn)用到軸流風(fēng)扇當(dāng)中。章甘[11]分析了魚鰭剛?cè)嵯嚅g的特性，參照該特性設(shè)計風(fēng)機(jī)葉片上的結(jié)構(gòu)，以剛性肋條和柔性貼條間隔的形式，設(shè)計了一組正交方案。將CFD仿真獲得的結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)肋條結(jié)構(gòu)能夠改善葉片表面壓力狀況，抑制渦流形成，從而起到降低噪聲的作用。仿生設(shè)計已得到廣泛的研究與應(yīng)用，現(xiàn)有研究實驗中大多將新設(shè)計的葉片制造出來進(jìn)行實驗，部分新設(shè)計的葉片的安裝還需要對風(fēng)扇框架進(jìn)行更改，制造難度與成本較高。本文中將3D 打印的仿生葉片模型安裝在原有的風(fēng)扇的葉片上，降低了制造難度與成本。通過仿真與實驗驗證了此方法的可行性，為冷卻風(fēng)扇葉片降噪提供了一條有效的技術(shù)途徑。

1 冷卻風(fēng)扇葉片的仿生設(shè)計

風(fēng)扇葉片的形狀為一個有一定厚度的曲面，呈扁平狀，葉片前緣、后緣、與風(fēng)扇輪轂相連接的前端和葉片尾端均為圓弧形，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動時，風(fēng)沿葉片的壓力面和吸力面流過。根據(jù)葉片的形狀以及轉(zhuǎn)動時的流場特征，將仿生對象的選擇范圍集中在飛禽類的翅膀上。貓頭鷹雖翅膀?qū)挻?，但全身的羽毛柔軟而呈波狀，表面密布著絨毛，可以減弱和空氣的摩擦，有消聲的作用，如圖1所示。翅膀上的羽毛邊緣還呈鋸齒狀分布，這也起到了消聲的作用。

圖1 貓頭鷹翅膀結(jié)構(gòu)

在本研究中將貓頭鷹翅膀作為仿生對象，模仿其結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇葉片進(jìn)行相似的改進(jìn)設(shè)計，以達(dá)到降噪目的。在本設(shè)計中將貓頭鷹翅膀上的“梳子”結(jié)構(gòu)和翅膀表面由于附著羽毛而形成的突起結(jié)構(gòu)相結(jié)合，作為風(fēng)扇葉片的設(shè)計方案。設(shè)計時，將貓頭鷹翅膀前緣參差不齊的“梳子”結(jié)構(gòu)簡化成尺寸相同、距離相等的鋸齒結(jié)構(gòu)，添加到風(fēng)扇葉片后緣上。將其翅膀上覆蓋的羽毛所形成突起結(jié)構(gòu)簡化成尺寸相同、間距相等的半圓形條紋，添加到葉片的正壓力面上。

確定條紋和齒槽位置時，將風(fēng)扇輪轂圓心作為設(shè)計圓心，設(shè)定合適的半徑，圓弧在葉片上的位置即為條紋和齒槽位置，圓弧半徑間的差值即為條紋間和齒槽間的間距。齒槽圓弧與葉片后緣的交點即為半圓形齒槽的圓心。將葉片上的條紋半徑、齒槽半徑、條紋距離以及齒槽間距離設(shè)置為4種變量，通過改變這4 種變量的尺寸來確定幾組不同的葉片方案，4種變量的示意圖如圖2所示。設(shè)計得出9種正交實驗方案，如表1所示。按照實驗方案進(jìn)行3D打印的9 種實驗葉片如圖3所示。將葉片安裝在風(fēng)扇上進(jìn)行實驗，葉片的安裝如圖4所示。

圖2 葉片參數(shù)示意圖

圖3 9種葉片模型

圖4 葉片安裝示意圖

表1 正交實驗方案

2 仿真分析

2.1 參數(shù)設(shè)定

將整個仿真模型分為4個區(qū)域，即旋轉(zhuǎn)流體區(qū)、通道區(qū)、入口區(qū)和出口區(qū)。如圖5所示。在本次流體仿真中使用ICEM CFD軟件進(jìn)行風(fēng)扇葉片網(wǎng)格的劃分。整個區(qū)域的最大網(wǎng)格尺寸確定為5 mm，將葉片上的最大網(wǎng)格尺寸確定為1.2 mm，整個區(qū)域均使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。使用compute mesh 功能創(chuàng)建網(wǎng)格，整個區(qū)域一共約創(chuàng)建了159 萬個網(wǎng)格單元。整個模型的邊界條件主要分為進(jìn)口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件。操作條件壓力為默認(rèn)的大氣壓力，設(shè)置進(jìn)口為壓力入口，給定總壓為大氣壓力，出口為壓力出口，相對大氣壓力為0。

圖5 冷卻風(fēng)扇流域劃分

將劃分好網(wǎng)格后的葉片導(dǎo)入FLUENT 軟件后，將各單位均設(shè)置為毫米。湍流模型使用k-epsilon模型。流體材料為空氣，密度為1.2 kg/m3。計算時使用SIMPLE算法，動能、湍流動能以及湍流耗散率的計算均引入2階迎風(fēng)格式。將殘差監(jiān)視器中各項的殘差均設(shè)置為0.000 1。監(jiān)視出入口流量及出口區(qū)距離風(fēng)扇1 m 處的壓力脈動。當(dāng)殘差收斂至0.001，停止迭代。將FLUENT 的計算結(jié)果導(dǎo)入CFD-Post 后處理軟件，對9 種風(fēng)扇葉片的噪聲性能與原型葉片的噪聲性能進(jìn)行對比分析。

2.2 葉片表面噪聲特性分析

原型葉片表面的噪聲聲能分布如圖6(a)所示，9種仿生設(shè)計的葉片表面的噪聲聲能分布如圖6(b)所示，其表面最大噪聲聲能分布數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 葉片表面最大噪聲聲能仿真值

圖6 原型葉片與仿生設(shè)計表面的噪聲聲能分布

從圖6可以看出，風(fēng)扇葉片表面的噪聲聲能分布可大致分為3個區(qū)域?？拷L(fēng)扇軸的風(fēng)扇前端為噪聲最小處，此區(qū)域約占整個葉片的三分之二。靠近葉片后緣和葉尖的區(qū)域噪聲較大，葉片前緣曲率最大的內(nèi)側(cè)噪聲最大，這兩個區(qū)域約占整個葉片的三分之一。添加了仿生結(jié)構(gòu)的9種葉片表面的噪聲分布與原型葉片大致相同。

從噪聲分布圖6中可以比較得出，除方案3、4和6外，其余方案的葉片的噪聲值均比原型葉片的值要小。其中降噪效果最明顯的是方案2，其次是方案1。噪聲值最大的是方案3，其次是方案4，最后是方案6。

從這9 種方案的噪聲分析結(jié)果可以判斷，在設(shè)計中設(shè)置的4種因素均對噪聲分析的結(jié)果產(chǎn)生了影響。條紋間距和齒槽間距過大，會導(dǎo)致在葉片上添加的結(jié)構(gòu)過少，因此降噪效果不明顯。在4 種因素中，對噪聲影響最大的應(yīng)是條紋半徑，條紋半徑應(yīng)盡量小，半徑為1 mm的條紋的降噪效果最好。其次是齒槽半徑，齒槽半徑設(shè)置為2.5 mm比較合適。

3 實驗分析

3.1 實驗設(shè)備

對采用仿生設(shè)計的扇片進(jìn)行3D打印，選擇白色的未來8000 樹脂作為葉片的打印材料。汽車?yán)鋮s風(fēng)扇葉片的噪聲實驗中采用北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所生產(chǎn)的INV9206 型號聲壓傳感器（麥克風(fēng)），并使用DASP智能數(shù)據(jù)采集儀來獲取并處理聲壓傳感器測試的噪聲信號。圖7為冷卻風(fēng)扇噪聲測試示意圖。

圖7 冷卻風(fēng)扇噪聲測試示意圖

3.2 實驗結(jié)果分析

在汽車?yán)鋮s風(fēng)扇葉片噪聲實驗中，測量了風(fēng)扇在1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min、1 600 r/min、1 800 r/min和2 000 r/min 6組轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片的噪聲值和降噪率，如圖8所示。在1 000 r/min工況下，方案2的降噪效果相對較好，降噪率達(dá)到了3.59%；在1 200 r/min工況下，方案1的降噪效果較好，降噪率達(dá)到了3.75%；在1 400 r/min工況下，方案8的降噪效果較好，降噪率達(dá)到了4.83%；在1 600 r/min工況下方案2 的降噪率為3.13 %，效果較好；在1 800 r/min工況下，降噪效果較好的是方案2，降噪率達(dá)到了3.13%。在2 000 r/min 工況下，方案2 的降噪效果較好，降噪率達(dá)到了4.75%。

圖8 6組轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇葉片的噪聲值與降噪率

將條紋半徑設(shè)置為因素A，條紋間距離設(shè)置為因素B，齒槽半徑設(shè)置為因素C，齒槽間距離設(shè)置為因素D。分析這4 個因素以及分別對應(yīng)的3 個水平對冷卻風(fēng)扇噪聲影響的主次關(guān)系，對6 個轉(zhuǎn)速下的各個正交方案的噪聲進(jìn)行極差分析。

從正交實驗極差分析結(jié)果可得，如表3所示，在6 種不同轉(zhuǎn)速下，各因素對風(fēng)扇噪聲的影響大小不相同。在1 000 r/min、1 600 r/min和2 000 r/min轉(zhuǎn)速下，對風(fēng)扇噪聲影響最大的因素為A，即條紋半徑，在這幾種轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)組合為A1B2D2C1、A1C2D1B2和A3D1B2C1。在1 400 r/min 和1 800 r/min 轉(zhuǎn)速下，對風(fēng)扇噪聲影響最大的因素為B，即條紋圓心所在圓弧間距離，在這兩種轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)組合為B2A3D1C2和B2D1A3C3。在1 200 r/min 轉(zhuǎn)速下，對風(fēng)扇噪聲影響最大的因素為C，即齒槽半徑，該轉(zhuǎn)速下的最優(yōu)組合為C2A1B1D1。

表3 正交實驗極差分析結(jié)果

在因素A 中，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、1 200 r/min 和1 600 r/min 工況下降噪表現(xiàn)較好的是第一水平1mm；轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、1 800 r/min 和2 000 r/min工況下表現(xiàn)較好的是第三水平2 mm。因此低轉(zhuǎn)速下條紋半徑選用1 mm，高轉(zhuǎn)速下條紋半徑選用2 mm 較好。在因素B 中，除1 200 r/min 轉(zhuǎn)速外，降噪效果較好的是第二水平20 mm。在因素C 中，轉(zhuǎn)速為1200 r/min、1400 r/min和1 600 r/min時，降噪效果較好的是第二水平2.5 mm，1 000 r/min 和2 000 r/min 轉(zhuǎn)速下降噪效果較優(yōu)的是第一水平2 mm，1 800 r/min 轉(zhuǎn)速下降噪效果較佳的是第三水平3 mm。在因素D 中，除1 000 r/min 轉(zhuǎn)速外，降噪效果較好的是第一水平10 mm。

4 結(jié)語

以汽車?yán)鋮s風(fēng)扇葉片作為研究對象，對葉片進(jìn)行仿生設(shè)計，使葉片達(dá)到降低風(fēng)扇噪聲的要求。使用仿真和實驗兩種方法，分析仿生結(jié)構(gòu)對葉片降噪效果的影響，得出以下幾點結(jié)論：

(1)大部分采用仿生設(shè)計的葉片都具有降噪的作用，其中降噪效果最明顯的是方案2。

(2)通過仿真發(fā)現(xiàn)對降噪效果影響最大的因素是葉片表面上添加的條紋半徑，其次是在葉片后緣添加的齒槽半徑，條紋間距和齒槽間距也對降噪有一定影響。

(3)通過葉片噪聲實驗和極差分析得出如下結(jié)論：在葉片上添加的仿生結(jié)構(gòu)中，在1 000 r/min、1 600 r/min和2 000 r/min轉(zhuǎn)速下對噪聲影響最大的是條紋半徑（因素A）；在1 400 r/min 和1 800 r/min轉(zhuǎn)速下，對風(fēng)扇噪聲影響最大的為因素B(條紋間距離)；在1200 r/min 轉(zhuǎn)速下，對風(fēng)扇噪聲影響最大的為因素C(齒槽間距離)。因素A中，低轉(zhuǎn)速下選擇1 mm 效果較好，高轉(zhuǎn)速下選擇2 mm 較好，因素B 選擇20 mm 較好，因素C 選擇2.5 mm 較好，因素D 選擇10 mm較好。