基于流聲耦合的軸流風(fēng)機(jī)氣動噪聲數(shù)值模擬研究

張桂艷

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州貴陽 551400）

1 軸流風(fēng)機(jī)當(dāng)前存在的噪聲問題

軸流風(fēng)機(jī)的噪聲包括氣動噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲等，隨著時代發(fā)展和技術(shù)的迭代更新，氣動噪聲成為當(dāng)前軸流風(fēng)機(jī)的主要噪聲。到現(xiàn)今為止，對小型軸流風(fēng)機(jī)流場和聲場的理論計算還沒有一個成熟的方法，隨著近年來計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和算法的改善，通過數(shù)值模擬來仿真軸流風(fēng)機(jī)的流場和聲場這一方法已逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。文章主要采取數(shù)值模擬的方法來對小型軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析。

2 軸流風(fēng)機(jī)尺寸及模型建立

2.1 軸流風(fēng)機(jī)尺寸

軸流風(fēng)機(jī)仿真計算模型包括實體幾何模型的建立、仿真計算域的建立及網(wǎng)格模型的建立三部分內(nèi)容，其中每一環(huán)節(jié)都將影響到后續(xù)的仿真。所用到的軸流風(fēng)機(jī)主要由動葉片、外框和靜葉片組成，其中外框和靜葉片連成一體。風(fēng)機(jī)長寬高分別為80 mm、38 mm、80 mm。動葉片數(shù)量為5葉，動葉直徑為74 mm，輪轂直徑為43 mm，輪轂厚度為22 mm；靜葉片數(shù)量為3 葉，扇框內(nèi)徑86 mm，扇框還包括在入風(fēng)口處具有集流作用的倒角以及在出風(fēng)口處具有擴(kuò)壓作用的倒角。風(fēng)機(jī)使用電壓范圍在7～13.8 V 以內(nèi)，轉(zhuǎn)速8 400 r/min，產(chǎn)生風(fēng)量132 m3/h。

2.2 軸流風(fēng)機(jī)幾何模型建立

軸流風(fēng)機(jī)的動葉片是風(fēng)機(jī)中最重要的部分，它的幾何參數(shù)包括葉片直徑、葉片安裝角、葉片彎掠角等的大小，均影響風(fēng)機(jī)的流量及噪聲的大小，所以，為保證建模精度，軸流風(fēng)機(jī)實體幾何模型的建立采用逆向工程的方法。

逆向建模工程可具體概括為三步：掃描儀采集數(shù)據(jù)、模型特征數(shù)據(jù)的識別和提取、利用建模軟件重建模型。掃描之前需要在風(fēng)機(jī)上均勻地噴涂白色的顯像劑，同時需要在風(fēng)機(jī)下方放入黑色的墊子增加對比度。此外，為了使風(fēng)機(jī)各個表面均掃描到，需要把風(fēng)機(jī)拆開，將動葉片和扇框分開進(jìn)行掃描。

掃描完成后可得到軸流風(fēng)機(jī)曲面參數(shù)的點云數(shù)據(jù)，由于實體模型表面粗糙度不同，掃描時隨機(jī)誤差等原因的存在，點云數(shù)據(jù)不可能完全與原模型相同，所以為了使后續(xù)CAD 模型重建可以方便、準(zhǔn)確的進(jìn)行，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

經(jīng)過預(yù)處理的點云數(shù)據(jù)已經(jīng)與實體模型的特征近乎一致，可以利用這些數(shù)據(jù)和邊界曲線通過算法來構(gòu)建曲面，從而擬合出風(fēng)機(jī)表面的曲面形狀。通過這種方式得到的風(fēng)機(jī)三維模型具有較高的修改能力，將曲面導(dǎo)入到建模軟件NX 中，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、邊界混合等一系列操作建立出軸流風(fēng)機(jī)的原始幾何模型。

3 軸流風(fēng)機(jī)仿真計算域建立

仿真時所用到的模型是軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部及周圍的空氣域，并不是風(fēng)機(jī)幾何模型，所以要建立仿真流體計算域。軸流風(fēng)機(jī)在工作時，動葉片會繞軸旋轉(zhuǎn)，在仿真計算域建模時要考慮到旋轉(zhuǎn)計算域的建立。

對軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真時，需要給定確切的入口和出口邊界條件，此外為了減少回流，需要在風(fēng)機(jī)的入口和出口段延伸出一部分，以便于模擬出軸流風(fēng)機(jī)在實驗時外部氣體的流動情況。風(fēng)機(jī)入口處的流動還未經(jīng)過風(fēng)機(jī)做功，所以為平直的層流，而相反的出口處的流動較為混亂，所以通常來說，入口長度為風(fēng)機(jī)長度的2～4倍，出口長度為風(fēng)機(jī)長度的8～10倍。

3.1 軸流風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型建立

在計算流體力學(xué)中需要用到離散化的數(shù)值方法。離散即將一個連續(xù)的物體劃分成一定數(shù)量的單元，這個單元即為網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分時工作量大，同時涉及到的問題很多，網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量會直接影響到之后計算的效率和精度，所以網(wǎng)格劃分是數(shù)值計算過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是網(wǎng)格劃分的兩種方法。簡單來說，對于二維模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格只包含四邊形，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格包含三角形；對于三維模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格只包含六面體，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格包含四面體，結(jié)合軸流風(fēng)機(jī)的模型特點，對軸流風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)計算域和扇框內(nèi)的靜計算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而對形狀規(guī)則的入口計算域和出口計算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上每一層的網(wǎng)格上都是均勻的且各層節(jié)點相等，這樣得到的網(wǎng)格數(shù)量少、精度較高，且結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對處理粘性問題效果較好，但是對于模型的適應(yīng)性較差。外形復(fù)雜的模型生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是比較困難的，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是均勻的，對復(fù)雜模型的處理較為靈活，但是劃分相同模型，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的數(shù)量要遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)化分網(wǎng)。目前來看，隨著計算方法的改進(jìn)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在計算過程中的結(jié)果相差越來越小。

3.2 數(shù)值模擬方法

3.2.1 求解器選擇

在Fluent 軟件中求解器分為兩類，密度基求解器和壓力基求解器。密度基求解器通常適用于高速可壓縮流體或者強(qiáng)耦合流動；而不可壓縮的低速流體的計算通常使用專門針對這一問題的壓力基求解器來求解。區(qū)分流體的壓縮程度可以通過計算馬赫數(shù)（M）大小來表示，其關(guān)系式為：

式（1）中，v表示流體的速度；c表示聲音在空氣中的傳播速度，為340 m/s。當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時，可認(rèn)為流體是低速不可壓縮的；當(dāng)馬赫數(shù)超過0.3時，流體的可壓縮性便不可忽略；當(dāng)馬赫數(shù)超過0.8時，流體為亞音速可壓縮。

3.2.2 求解方法的選擇

常用的算法有SIMPLE 算法，SIMPLEC 算法和PISO 算法。SIMPLE 算法是預(yù)測-修正兩步算法；SIMPLEC 算法是對SIMPLE 算法的改進(jìn)，改變一些壓力修正項系數(shù)，可以加快計算的收斂，但收斂精度較低；PISO 算法是預(yù)測-修正-再修正，更加適用于瞬態(tài)的求解。穩(wěn)態(tài)選擇SIMPLE 算法，而瞬態(tài)選擇PISO 算法。

3.2.3 湍流模型的選擇

軸流風(fēng)機(jī)的仿真分為兩步仿真，穩(wěn)態(tài)流場仿真和瞬態(tài)聲場仿真，兩次仿真均需選擇合適的湍流模型。穩(wěn)態(tài)仿真的湍流模型選擇雷諾平均模型中的RNGk-ε模型；為了配合聲場模擬的FW-H 方程，瞬態(tài)仿真的湍流模型則選擇大渦模擬方法。

3.2.4 聲源及氣動噪聲模型的選擇

在聲源選擇時，F(xiàn)luent 不支持選擇兩個包含關(guān)系的聲源面，如扇框和動葉片不可同時選擇，所以只選擇動葉片作為數(shù)值仿真的聲源。氣動噪聲模型選擇萊特希爾聲比擬方法，即開啟FW-H 方程來仿真。

3.2.5 動靜域計算模型選擇

Fluent 中用于處理動靜域模型的方法主要可分為單參考系模型、多參考系模型、滑移網(wǎng)格模型和動網(wǎng)格模型等，其中前兩種適用于穩(wěn)態(tài)求解，后兩種適用于瞬態(tài)求解。單參考系模型用于單一的運(yùn)動區(qū)域，參考系與運(yùn)動區(qū)域相對靜止。本文的軸流風(fēng)機(jī)既包括旋轉(zhuǎn)域又包括靜止域，所以不能采用單參考系模型。多參考系模型是多域模型中最簡便的方法之一，這種方法在旋轉(zhuǎn)域中采用相對坐標(biāo)系，在靜止域中采用絕對坐標(biāo)系，兩個域直接通過交界面（interface）來傳遞。此模型簡單經(jīng)濟(jì)，對流動的處理也較為可信。瞬態(tài)計算中滑移網(wǎng)格模型是在多參考系模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，原理與前者類似，所以瞬態(tài)的計算采用滑移網(wǎng)格模型。

3.2.6 邊界條件的選擇

風(fēng)機(jī)動葉片壁面條件設(shè)置為轉(zhuǎn)動壁面條件，并給定仿真需要的轉(zhuǎn)速。動靜域的交界面根據(jù)上文所述的計算模型選擇為interface。入口邊界條件設(shè)定為壓力入口，總壓設(shè)置為0Pa，意為與外界大氣壓相同，入口湍流強(qiáng)度可根據(jù)公式計算：

式（2）中，Re 為流體的雷諾數(shù)，出口邊界條件設(shè)定為壓力出口，靜壓根據(jù)仿真需要設(shè)置。

3.2.7 時間步長的選擇

在瞬態(tài)計算時，需要對時間步長進(jìn)行設(shè)定。在每個時間步長內(nèi)都要保證計算收斂，減小時間步長，計算仿真精度會提高，但是計算時間也會延長；增大時間步長，可能會出現(xiàn)庫朗數(shù)過大的情況而無法計算。在氣動噪聲計算時，時間步長t的選取與聲音的頻率相關(guān)，關(guān)系式如下：

式（3）中，f表示頻率，因為人耳可以聽到的聲音頻率范圍在20～20 000 Hz 之間，所以將頻率設(shè)置為20 000 Hz，這樣Δt即為2.5×10-5s，此外還要保證每個時間步內(nèi)都收斂。

4 聲場數(shù)值仿真結(jié)果分析及實驗驗證

仿真時以軸流風(fēng)機(jī)動葉輪中心為坐標(biāo)原點，風(fēng)機(jī)繞Z 軸旋轉(zhuǎn)，此外在風(fēng)機(jī)四周X 軸、Y 軸方向分別設(shè)置6個噪聲監(jiān)測點，其中Z 軸正向的receiver5作為主要噪聲監(jiān)測點，其他5個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)作為參考，各監(jiān)測點與原點的距離都為1 m。

噪聲監(jiān)測點的聲壓級大小，可根據(jù)公式：

噪聲的聲壓級值越大，聲音的強(qiáng)度越高，但是人耳對聲音的反應(yīng)不僅與強(qiáng)度大小有關(guān)，還與聲音的頻率相關(guān)。聲壓級相同而聲音頻率不同的噪聲人耳的反應(yīng)是不一樣的，通常來說人們對低頻噪聲不是特別敏感，而對高頻噪聲較為厭煩。所以除了噪聲的聲壓級，還要對噪聲的頻譜進(jìn)行關(guān)注，將仿真值經(jīng)過FFT 變換后，可得到監(jiān)測點噪聲在各個頻率上的聲壓級大小。

軸流風(fēng)機(jī)的噪聲測試實驗依據(jù)國標(biāo)聲學(xué)聲壓法測定噪聲源聲功率級消音室和半消聲室精密法（GB/T6882-2008）和風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)噪聲測量方法（GB/T2888-2008）所規(guī)定的實驗場地和實驗方法進(jìn)行。實驗時用麥克風(fēng)對噪聲進(jìn)行收聲，麥克風(fēng)的設(shè)置與上文receiver5噪聲監(jiān)測點的位置相同，即在Z 軸正向距動葉片中心1 m 處。如圖1所示。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)噪聲測試結(jié)論

5 實施方案及措施

影響軸流風(fēng)機(jī)氣動噪聲的因素很多，在利用仿真軟件求解時一般采用以下流程。

（1）物理問題抽象。這一步主要解決的問題是決定計算的目的.在對物理現(xiàn)象進(jìn)行充分認(rèn)識后，確定要計算的物理量，同時決定計算過程中需要關(guān)注的細(xì)節(jié)問題。

（2）計算域確定：在決定計算內(nèi)容之后，緊接著要做的工作是確定計算空間，這部分工作主要體現(xiàn)在幾何建模上。

（3）劃分計算網(wǎng)格。當(dāng)確定計算域之后，則需要對計算域幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。生成網(wǎng)格的程序有很多，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計算精度，因此在生成網(wǎng)格之后，需要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，另一個與網(wǎng)格相關(guān)的問題是邊界層網(wǎng)格劃分。在劃分邊界層網(wǎng)格時，需要根據(jù)外部流動條件估算第一層網(wǎng)格與壁面間距，同時需要確定邊界厚度或邊界層層數(shù)。

（4）選擇物理模型。在第一步工作中確定了需要模擬的物理現(xiàn)象，在此需要選擇對應(yīng)的物理模型.若考慮傳熱，需要選擇能量模型；若考慮湍流，則需要選擇湍流模型；若考慮多項流，則需要選擇多相流模型等。

（5）確定邊界條件。確定計算域?qū)嶋H上是確定了邊界位置，在這一步工作中，需要確定邊界位置上物理量的分布，通常需要考慮邊界類型、物理量的指定。不同的邊界類型組合對于收斂性有著重要的影響，無論采用何種邊界組合，都要求邊界信息是物理真實的，一般要求試驗獲取。

（6）設(shè)置求解參數(shù)。在上面的工作均進(jìn)行完之后，則需要設(shè)定求解參數(shù)，包括一些監(jiān)控物理量設(shè)定、收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定、求解精度控制等，若為瞬態(tài)計算，則可能還涉及自動保存、動畫設(shè)定等，不同的物理問題，需要設(shè)定的求解參數(shù)也存在差異。

6 結(jié)束語

采用計算流體力學(xué)和氣動聲學(xué)中的聲類比的方法對軸流風(fēng)機(jī)的流場和聲場性能進(jìn)行計算分析，確定了風(fēng)機(jī)的建模方法，ICEM 網(wǎng)格劃分方法及Fluent 求解設(shè)置方法，并通過實驗進(jìn)行了驗證。對風(fēng)機(jī)流場中的壓力、速度等分布情況和風(fēng)機(jī)聲場中頻譜分布等問題進(jìn)行了深入研究。