基于仿生學(xué)的風(fēng)機(jī)降噪技術(shù)研究進(jìn)展

李芳環(huán)，趙小娟，陳愛(ài)平

（1.武昌工學(xué)院 智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430065；2.綠色風(fēng)機(jī)制造湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430065）

0 引言

風(fēng)機(jī)作為通風(fēng)換氣的重要設(shè)備，在家用電器、工廠(chǎng)及礦井等多領(lǐng)域得到應(yīng)用。因而，風(fēng)機(jī)的噪聲控制成為科學(xué)界關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，研究者從生物界獲得靈感，通過(guò)研究天空中靜音飛行的鳥(niǎo)類(lèi)、水中游動(dòng)的魚(yú)類(lèi)，獲取有利于改善風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和降噪的特征元素，從而控制風(fēng)機(jī)的噪聲。本文綜述基于仿生學(xué)的風(fēng)機(jī)降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析和總結(jié)各類(lèi)仿生機(jī)構(gòu)的降噪機(jī)理。

1 仿生信息提取

風(fēng)機(jī)的仿生降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，首先是從生物界中選取生物在進(jìn)化過(guò)程中形成的靜音飛行特征或者是利于流體流動(dòng)的特征作為研究對(duì)象，對(duì)所選取的生物原型加以研究并數(shù)字化，將研究得到的相關(guān)資料除去不重要的因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留有利于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能研究和降噪方面的內(nèi)容，通常采用三維掃描或者逆向工程的方法獲取一個(gè)生物形態(tài)模型，然后構(gòu)建具有生物形態(tài)的數(shù)學(xué)仿生模型[1]。在構(gòu)建仿生模型的過(guò)程中，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸，對(duì)生物形態(tài)的參數(shù)進(jìn)行相似性等比放大或者縮小。

在研究風(fēng)機(jī)的過(guò)程中，利用逆向工程的仿生大多用的是結(jié)構(gòu)仿生和形態(tài)仿生[2-3]。王珂等[4]基于結(jié)構(gòu)仿生，從離心風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件和靜止部件相互匹配的角度來(lái)設(shè)計(jì)離心風(fēng)機(jī)，蝸舌采用基于長(zhǎng)耳翼型前緣的仿生設(shè)計(jì)方法。劉陽(yáng)等[5]受魚(yú)類(lèi)游動(dòng)姿態(tài)的啟發(fā)，為了改善離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，從形態(tài)仿生的角度，設(shè)計(jì)了一種仿s 型離心風(fēng)機(jī)葉片。

2 基于仿生學(xué)的軸流風(fēng)機(jī)降噪研究進(jìn)展

王雷等[6]受靜音飛行代表長(zhǎng)耳鸮翅膀翼型結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，提出了一種軸流風(fēng)機(jī)的仿生葉片。該仿生葉片通過(guò)逆向工程提取40%截面處的長(zhǎng)耳鸮翼型截面進(jìn)行厚度方向的修型，在葉片尾緣處耦合了正弦型鋸齒結(jié)構(gòu)。通過(guò)數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)葉片尾緣處的鋸齒結(jié)構(gòu)能抑制葉片的湍流邊界層噪聲，對(duì)比原型風(fēng)機(jī)和仿生耦合葉片風(fēng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)仿生耦合葉片風(fēng)機(jī)在風(fēng)量上提升4.69%，噪聲幅度下降2 dB。

劉剛等[7]借鑒機(jī)翼葉尖小翼結(jié)構(gòu)，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片頂部融合葉尖小翼結(jié)構(gòu)。通過(guò)調(diào)整葉尖小翼外傾角為0°，10°，20°，30°，40°來(lái)分析葉尖小翼外傾角對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響。模擬結(jié)果得出，選擇合適的葉尖小翼可以有效地降低風(fēng)機(jī)的噪聲，在外傾角為20°時(shí)，風(fēng)機(jī)噪聲最小，而在外傾角繼續(xù)增加的時(shí)候，尤其當(dāng)外傾角為40°時(shí)，風(fēng)機(jī)噪聲與沒(méi)有增加葉尖小翼風(fēng)機(jī)的噪聲一樣。

基于仿生學(xué)鋸齒機(jī)構(gòu)，王紹興[8]針對(duì)DTF18#地鐵軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究，數(shù)值模擬設(shè)計(jì)了葉片翼頂前緣鋸齒結(jié)構(gòu)、葉片尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)、翼頂前緣及葉片尾緣組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算分析，對(duì)所設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)進(jìn)行了樣機(jī)制作，最終發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了翼型葉片鋸齒結(jié)構(gòu)的降噪效果，其中，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)和前后緣鋸齒結(jié)構(gòu)的降噪效果最為明顯，分別是3.5 dB 和3.3 dB。

孫少明[9]等設(shè)計(jì)了仿鸮翼的非光滑前緣的仿生軸流風(fēng)機(jī)葉片，通過(guò)試驗(yàn)證明，仿生非光滑葉片相對(duì)原型風(fēng)機(jī)葉片有明顯的降噪效果，影響降噪效果的因素中，非光滑單元間距為主要因素，其次分別是非光滑單元的高度和非光滑單元個(gè)數(shù)。

呂建民等[10]通過(guò)觀察和測(cè)量長(zhǎng)耳鸮翼羽的層疊結(jié)構(gòu)，在軸流風(fēng)機(jī)葉片的三維建模中應(yīng)用了鸮翼羽的條紋槽狀結(jié)構(gòu)，并把風(fēng)機(jī)葉片前緣做成正弦曲線(xiàn)狀結(jié)構(gòu)，利用CNC 加工中心完成對(duì)葉片模型的加工，加工了1 個(gè)原型風(fēng)機(jī)和9 種具有不同非光滑單元個(gè)數(shù)、不同非光滑槽深度、不同非光滑單元間距的仿生軸流風(fēng)機(jī)葉片模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，非光滑單元個(gè)數(shù)為6、非光滑槽深度為1 mm、非光滑單元間距為30 mm 的試件為最優(yōu)模型，最大降噪值為1.6 dB，最大降噪率為2.61%。數(shù)值模擬分析了仿生葉片的降噪機(jī)理。

黃琪琪等[11]將仿生尾緣應(yīng)用到以NACA65-010葉型通過(guò)加彎技術(shù)設(shè)計(jì)的小型軸流風(fēng)機(jī)上，實(shí)驗(yàn)采用了1 個(gè)原型風(fēng)機(jī)和4 個(gè)葉片尾緣，20%～96.5%葉高處均布20 個(gè)鋸齒，鋸齒的齒高為5 mm，鋸齒的寬度為2.5 mm，鋸齒齒根部的傾斜角分別為20°，30°，40°和90°，模型在風(fēng)洞上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了仿生鋸齒尾緣的降噪效果，且實(shí)驗(yàn)得出鋸齒根部的傾斜角度為30°時(shí)的降噪效果最好，可以達(dá)到A 聲級(jí)降噪2.38 dB，鋸齒尾緣小流量風(fēng)機(jī)在A 聲級(jí)上還可以最高降低1.87 dB。

葉學(xué)民等[12]分析了鋸齒尾緣的降噪性能，以O(shè)B-84 型動(dòng)葉可調(diào)軸流風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，采用切割的方法在動(dòng)葉尾緣建立了3 個(gè)鋸齒尾緣寬度均為17，長(zhǎng)度分別為14 mm、21 mm、28 mm 的A，B，C 三個(gè)風(fēng)機(jī)葉片模型。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)模型在中頻段的降噪效果最為明顯，而且降噪效果與鋸齒的長(zhǎng)度正相關(guān)，因此A，B，C 三個(gè)模型中C 的降噪效果最好，最多可降低30 dB。

石磊等[13]通過(guò)數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了NACA0018 翼型模型的降噪效果，發(fā)現(xiàn)前緣圓形鋸齒狀和后緣鋸齒狀組合結(jié)構(gòu)的降噪效果比單純的前緣圓形鋸齒和后緣鋸齒降噪效果明顯。

3 基于仿生學(xué)的離心風(fēng)機(jī)降噪研究進(jìn)展

劉小民等[14]通過(guò)數(shù)值模擬的方法驗(yàn)證了NACA0012 翼型和仿生翼型的降噪特性。熊仲營(yíng)等[15]通過(guò)原型風(fēng)機(jī)和仿生離心風(fēng)機(jī)的模型對(duì)比，發(fā)現(xiàn)仿魚(yú)型葉片風(fēng)機(jī)在風(fēng)量上增大了36 m3·h-1，效率提高了5.65%，噪聲在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處平均降噪2.78 dB，從而得出仿魚(yú)型葉片風(fēng)機(jī)用于離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化是有效的。

孫少明等[16]基于長(zhǎng)耳鸮翼表面形態(tài)與構(gòu)型特征，設(shè)計(jì)出了仿生降噪蝸舌。仿生降噪蝸舌設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮了仿生形態(tài)的個(gè)數(shù)、仿生形態(tài)的高度及仿生形態(tài)的間距這三個(gè)方面的因素，每個(gè)因素選取4 個(gè)水平。通過(guò)正交試驗(yàn)的方法，對(duì)設(shè)計(jì)的16 個(gè)試樣進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)的組合模型為仿生單元個(gè)數(shù)為4、單元高度為1.5 mm、單元間距為30 mm，可以達(dá)到降噪3.1 dB。在仿生形態(tài)的3 個(gè)影響因素中，仿生形態(tài)單元間距的影響最大，單元個(gè)數(shù)的影響最小。

王加浩等[17]從鯉科魚(yú)在逃生的時(shí)候身形從直線(xiàn)變?yōu)镃 型受到啟發(fā)，對(duì)草魚(yú)受到刺激后的C 型曲線(xiàn)做了研究，以該C 型曲線(xiàn)為葉片的中弧線(xiàn)，通過(guò)對(duì)比在葉片進(jìn)口角5°～25°范圍內(nèi)變化時(shí)風(fēng)機(jī)的噪聲和吸風(fēng)量情況，得出葉片中弧線(xiàn)進(jìn)口角為12.5°為最優(yōu)方案，然后以12.5°進(jìn)口角設(shè)計(jì)了仿生耦合葉片。與原型風(fēng)機(jī)相比，仿生耦合葉片風(fēng)機(jī)在風(fēng)量上增加了8.3%，降噪最大為1.1 dB。

鄔長(zhǎng)樂(lè)等[18]通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了仿生葉片在離心風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用。作者建立了3 種仿生模型，分別是葉片有波型前緣、葉片有鋸齒尾緣、葉片上有凹坑。將這3 種仿生模型與原型風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)葉片具有鋸齒尾緣的離心風(fēng)機(jī)的降噪效果最明顯，平均降噪達(dá)到了5.04 dB；凹坑型風(fēng)機(jī)模型對(duì)降噪沒(méi)有任何幫助，反而會(huì)使噪聲提升0.85 dB，但是凹坑型風(fēng)機(jī)模型對(duì)于提升風(fēng)機(jī)效率有明顯的作用。

黃恩德等[19]基于相似性原理，應(yīng)用長(zhǎng)耳鸮皮膚組織中的吸聲特征元素，在標(biāo)本幾何尺寸上進(jìn)行放大，設(shè)計(jì)了仿生蝸舌。仿生蝸舌主要包括微縫層、穿孔層及空腔3部分。試驗(yàn)中制作了兩種仿生模型，一種是帶穿孔板的耦合吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌，另外一種是不帶穿孔板的耦合吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌。結(jié)果表明，在小流量情況下，兩種仿生蝸舌都可以降噪，但帶穿孔板的耦合仿生吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌的降噪效果最明顯，最大能降低2.5 dB，在設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，噪聲等級(jí)能降低0.5 dB；而在大流量情況下，降噪不明顯。降噪的機(jī)理是仿生降噪蝸舌可以改善蝸舌繞流附面層參數(shù)，使附面層分離推遲，噪聲得到有效控制。耦合仿生吸聲結(jié)構(gòu)蝸舌在氣流從葉輪流過(guò)微縫時(shí)，一部分聲能轉(zhuǎn)化為與微縫摩擦引起的熱能，還有一部分氣流在微孔中發(fā)生共振，聲能被減弱。

劉小民等[20]采用逆向工程方法提取了蒼鷹翼降噪的特征元素，根據(jù)相似原則將蒼鷹翼的條紋結(jié)構(gòu)和鋸齒結(jié)構(gòu)縮小，建立了風(fēng)機(jī)等厚度單圓弧葉片仿生結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算與分析，結(jié)果表明采用仿生尾緣可以改變各截面尾跡渦的脫落位置，增大渦間距離，減小脫落渦對(duì)尾跡流動(dòng)的擾動(dòng)，降低葉片表面的壓力脈動(dòng)，最終使得尾跡渦引起的氣動(dòng)噪聲顯著降低。

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了仿生結(jié)構(gòu)在風(fēng)機(jī)降噪中的應(yīng)用和相關(guān)研究。總體來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)降噪主要采用的是仿蒼鷹翼的各類(lèi)鋸齒機(jī)構(gòu)和仿魚(yú)體的各種形態(tài)。目前，仿蒼鷹翼的各類(lèi)鋸齒機(jī)構(gòu)在風(fēng)機(jī)降噪中的研究相對(duì)比較成熟，而仿魚(yú)體的各種形態(tài)在風(fēng)機(jī)降噪中的研究還處于初級(jí)階段。降低氣動(dòng)噪聲的關(guān)鍵是考慮風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)部件葉片或者葉輪表面的壓力脈動(dòng)以及風(fēng)機(jī)出口渦流的分離。利用多元耦合仿生技術(shù)，從形態(tài)、結(jié)構(gòu)到材料綜合考慮，在降低風(fēng)機(jī)噪聲的同時(shí)更大程度地提高風(fēng)機(jī)的性能，是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。