離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲研究方法的分析與建議

1、離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲研究方法的分析與建議Analysis and Suggestion on Research Methods of Aerodynamic Noise for Centrifugal Fan 黃曌宇 劉秋洪 祁大同 聞蘇平 曹淑珍 西安交通大學(xué)流體機(jī)械研究所摘要：對(duì)目前離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的研究方法進(jìn)行了分析，總結(jié)出數(shù)值模擬及其計(jì)算方法還不完善。提出了離心風(fēng)機(jī)蝸殼簡化成一個(gè)具有硬邊界的理想殼體模型的思路來開研究風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲。關(guān)鍵詞：離心式通風(fēng)機(jī) 氣動(dòng)噪聲 研究方法中圖分類號(hào)：TH432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1006-8155（2005）01-0003-04Abstract: An

2、alysis is carried out on research methods of aerodynamic noise for centrifugal fan. Numerical simulation is summarized, and its calculating method is not perfect. The thinking of that centrifugal fan volute simplified an ideal casing model with hard boundary is put forward in order to research fan a

3、erodynamic noise.Keywords: Centrifugal fan Aerodynamic noise Research methods1 引言離心風(fēng)機(jī)的噪聲以氣動(dòng)噪聲為主，在性質(zhì)上可以分為離散噪聲與寬帶噪聲。其氣動(dòng)噪聲主要由氣體與葉輪葉片以及蝸殼的相互作用產(chǎn)生，并通過進(jìn)、出氣通道加以傳播。蝸殼內(nèi)部的三維非穩(wěn)定流場(chǎng)以及殼體的特殊形狀使得對(duì)其開展研究變得困難。近年來，國內(nèi)外專家如： Lowson、Wan-Ho Jeon等都針對(duì)離心風(fēng)機(jī)噪聲做了很多研究，在發(fā)聲機(jī)理和聲源傳播、數(shù)值模擬、測(cè)試技術(shù)等方面都取得了不少突破，但仍有很多需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善之處。本文綜合了近年來國內(nèi)外大量文

4、獻(xiàn)的理論計(jì)算和試驗(yàn)研究方法，同時(shí)提出了新的建議。2 理論計(jì)算方法2.1 點(diǎn)源模型 對(duì)于風(fēng)機(jī)而言，點(diǎn)源模型是一種十分有用的技術(shù)。這種近似的準(zhǔn)則是，所要研究的最高頻率的波長應(yīng)該遠(yuǎn)大于聲源的物理尺寸。為滿足這個(gè)準(zhǔn)則要求，對(duì)發(fā)射較高頻率噪聲的葉片，在應(yīng)用點(diǎn)源模型時(shí)，可將每個(gè)相關(guān)面積或相關(guān)體積視為一個(gè)小尺寸的孤立聲源，將風(fēng)機(jī)葉片用沿著葉片展長分布的孤立點(diǎn)源的總和來模擬。目前有人研究了自由聲場(chǎng)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)聲源的聲學(xué)特性；Lowson通過波動(dòng)方程推導(dǎo)出了運(yùn)動(dòng)點(diǎn)源產(chǎn)生的聲場(chǎng)公式，該公式適合于葉片上的每個(gè)微元體，然后對(duì)葉片上的所有微元求積分就可以求出葉片運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲場(chǎng)。但擬定葉片微元的點(diǎn)源尺寸是一個(gè)難題，而且一般來說

5、風(fēng)機(jī)葉片都不是直葉片，甚至在空間有很大扭曲，用點(diǎn)源模型進(jìn)行模擬容易產(chǎn)生較大誤差。另外，上述研究針對(duì)的是自由聲場(chǎng)，而離心風(fēng)機(jī)必須考慮蝸殼的影響。2.2 蝸舌的尖劈模擬 圖1 離心風(fēng)機(jī)葉輪和尖劈模型靜止平板尾緣紊流邊界層聲發(fā)射的理論計(jì)算公式早已得出，但用于葉輪機(jī)械噪聲還需進(jìn)一步改進(jìn)。陸桂林考慮了葉片旋轉(zhuǎn)對(duì)聲發(fā)射的影響，并結(jié)合有關(guān)試驗(yàn)資料，引入葉片幾何參數(shù)的組合關(guān)系式，推導(dǎo)出了一個(gè)有個(gè)葉片的離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片尾緣紊流邊界層聲發(fā)射計(jì)算公式。這些都是在無蝸殼假定下噪聲計(jì)算公式的推導(dǎo)。為了模擬有蝸殼存在的情況，Wan-Ho Jeon在葉輪附近放置一個(gè)尖劈模擬蝸舌，以它來作為產(chǎn)生離散噪聲的聲源,如圖1所示。通

6、過此模型計(jì)算出流場(chǎng)，然后用非定常的伯努利方程計(jì)算出作用在葉片微元上所受的力， 最后利用Lowson導(dǎo)出的任意運(yùn)動(dòng)點(diǎn)源的聲場(chǎng)公式計(jì)算聲壓 (1) (2)式中 運(yùn)用該模型進(jìn)行風(fēng)機(jī)噪聲的數(shù)值模擬可以得到很多有價(jià)值的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，改變其中一些參數(shù)，如葉片數(shù)，葉輪旋轉(zhuǎn)速度和葉輪與尖劈之間的間隙等來重新進(jìn)行計(jì)算，并加以比較可以分析葉片通過頻率噪聲的影響因素，對(duì)離心風(fēng)機(jī)的降噪有指導(dǎo)意義，尤其是對(duì)分析離散噪聲的成因及其降噪方法有著比較重要的作用。但是它只能模擬風(fēng)機(jī)的基頻噪聲，且仍沒有考慮完整蝸殼的存在。2.3 基于寬頻噪聲的模擬聲場(chǎng)氣流方向聲源區(qū)域?qū)掝l噪聲也稱作渦流噪聲，它主要取決于對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)。至今尚未看到與

7、離心風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部完整流場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的聲場(chǎng)解，所以渦流噪聲很多都還是實(shí)驗(yàn)研究或者理論上的定性分析。從Lighthill方程和離心風(fēng)機(jī)的具體邊界條件出發(fā)可以得出基本方程 (3)式中 ，為源項(xiàng) 圖2 噪聲源模型然后基于數(shù)量級(jí)分析的基礎(chǔ)上，做了一些簡化,并將整個(gè)流場(chǎng)分成主流區(qū)和邊界層區(qū)分別加以討論。最后結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行了分析，證明了定性分析的可行性。L.Mongeau針對(duì)離心風(fēng)機(jī)的寬頻噪聲進(jìn)行了建模，如圖2所示，利用圖示區(qū)域，Lighthill的求解理論可得出聲壓的波動(dòng)方程 (4)然后利用傅立葉變換、量綱分析以及聲學(xué)相似定律導(dǎo)出了以下關(guān)系式 (5)則聲壓譜密度的表達(dá)式為 (6)在得出關(guān)系式后利用試驗(yàn)研究可以分

8、析聲壓譜密度與各參數(shù)之間的相互關(guān)系?？梢钥闯?利用該模型求解時(shí)，需要借助試驗(yàn)才能確定聲壓與各參數(shù)之間的具體關(guān)系，因此不能較好地從理論上直接解決離心風(fēng)機(jī)的噪聲問題。2.4 邊界單元法計(jì)算邊界單元法的計(jì)算例子較多，但都大同小異，這里重點(diǎn)舉李繼芳的算例加以說明，他運(yùn)用Helmhotz積分方程得出了蝸殼表面速度分布與蝸殼表面聲壓的積分關(guān)系式 (7)式中，為自由場(chǎng)三維格林函數(shù)。通過該格林函數(shù)可以得到整個(gè)蝸殼向外輻射的聲功率 (8)可以利用加速度傳感器得到蝸殼表面的振動(dòng)速度分布，然后通過公式計(jì)算出蝸殼表面的聲壓，或者可以通過風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口的聲壓計(jì)算進(jìn)出口輻射的聲功率，然后得到總的合成聲功率。可以看出，該計(jì)

9、算方法可以計(jì)算蝸殼振動(dòng)引起的噪聲輻射，也可以計(jì)算通過進(jìn)出口管道向外傳遞的噪聲。但是在測(cè)量進(jìn)出口的聲壓時(shí)，由于氣流的影響，使測(cè)量受到較大的干擾，因此測(cè)定的聲壓不一定是真實(shí)值；另外，由于蝸殼表面各點(diǎn)振動(dòng)極不均勻，不僅是垂直于表面振動(dòng)，甚至隨時(shí)間變化。測(cè)量時(shí)需要測(cè)量大量點(diǎn)的振動(dòng)速度，工作量大，而且可靠性不高，因此該方法的應(yīng)用也有局限性。2.5 蝸殼聲電類比模型很早人們就提出了聲電類比方法并計(jì)算出了離心風(fēng)機(jī)的聲共振頻率，并用高階模態(tài)分析方法分析了幾個(gè)具有比亥姆霍茲共振頻率更高的譜峰，用試驗(yàn)手段繪出了蝸殼內(nèi)規(guī)范化的聲壓分布。后來黃其柏又在此基礎(chǔ)上提出了蝸殼基頻共振引起的噪聲增量數(shù)學(xué)模型，最后推導(dǎo)出了在共

10、振頻率處遠(yuǎn)場(chǎng)某點(diǎn)總噪聲聲壓級(jí)增值為 (9)式中 和進(jìn)出氣口引起的噪聲增量利用此式可以對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)某點(diǎn)總噪聲聲壓級(jí)增值進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化。國內(nèi)一些實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了蝸殼基頻共振噪聲在小流量工況下的重要性。 2.6 聲學(xué)相似定律由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的一系列確定噪聲功率的標(biāo)準(zhǔn)，同樣也適用于風(fēng)機(jī)。試驗(yàn)各種不同型式和尺寸的風(fēng)機(jī)需要大量試驗(yàn)設(shè)備和時(shí)間，而且費(fèi)用昂貴。因此將相似定律應(yīng)用于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲，能大大降低成本。從而可以根據(jù)一種尺寸風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)資料，對(duì)尺寸不同而因次相似的風(fēng)機(jī)系列進(jìn)行聲功率的計(jì)算。Weidemann對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲作了無因次分析，且得到了無因次參數(shù)關(guān)系式 (10)式中，為適當(dāng)?shù)膮⒖級(jí)毫?，?duì)于離散噪聲和隨機(jī)噪聲

11、的頻譜噪聲可有不同的定義。Weidemann用矩形尖劈模擬蝸舌時(shí)，對(duì)無蝸殼的離心葉輪進(jìn)行了聲輻射研究，得出 (11)式中各參數(shù)的意義詳見相應(yīng)文獻(xiàn)。另外，考慮到風(fēng)機(jī)中存在著某種聲源，有，其相似關(guān)系為 （12）因此，換算因次相似的風(fēng)機(jī)噪聲頻譜時(shí)，可用上面兩個(gè)公式的任何一個(gè)，但是對(duì)于同一系列而尺寸不同的風(fēng)機(jī)，常數(shù)，和函數(shù)，或，應(yīng)分別對(duì)應(yīng)相等。聲學(xué)相似定律的應(yīng)用也是需要預(yù)先知道某因次相似風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)資料才能進(jìn)行聲輻射計(jì)算，開展聲學(xué)設(shè)計(jì)，它也不是單純從理論上直接解決離心風(fēng)機(jī)噪聲問題。 3 試驗(yàn)研究方法3.1 進(jìn)出口管道試驗(yàn)由于缺乏準(zhǔn)確的理論數(shù)據(jù)，因此很多試驗(yàn)還是基于理論上的定性分析進(jìn)行試驗(yàn)，一般都采取帶有

12、消聲器的進(jìn)氣或出氣管道在進(jìn)、出口進(jìn)行噪聲測(cè)量，再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行頻譜分析以判斷噪聲源和傳播途徑。在試驗(yàn)過程中通常都會(huì)先分別考慮軸向、徑向進(jìn)口間隙、蝸殼的擴(kuò)張角和擴(kuò)張長度以及蝸舌與葉輪間隙、蝸舌傾斜角、蝸舌半徑和葉輪類型、葉片數(shù)目等參數(shù)，分別分析這些參數(shù)對(duì)離心風(fēng)機(jī)噪聲的影響,但是這樣進(jìn)行分析和試驗(yàn)的工作量太大，而且忽略了各個(gè)參數(shù)之間的相互影響。 3.2 離心風(fēng)機(jī)機(jī)殼的聲學(xué)優(yōu)化機(jī)殼的型線對(duì)于離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲而言是極其重要的，如何得到優(yōu)良的機(jī)殼型線是很多人都關(guān)注的問題。在目前的大多數(shù)研究中，僅是通過修改機(jī)殼蝸舌區(qū)域來降低基頻強(qiáng)度。Hille-brand等改變整個(gè)蝸舌形狀來找尋關(guān)于產(chǎn)生噪聲的最優(yōu)設(shè)計(jì)。作

13、為一種試驗(yàn)工具，Rechenberg采用了植物與動(dòng)物的生物進(jìn)化原理提出了一種試驗(yàn)程序。采用了P1到P10這10個(gè)變量（在各種角向位置時(shí)蝸舌壁面離轉(zhuǎn)子軸的距離）來描述蝸舌。通過變量P1到P10的隨機(jī)變動(dòng)產(chǎn)生一組9個(gè)后代量，9個(gè)后代量的最優(yōu)者形成故的“上代”，從這個(gè)“上代”通過變量的隨機(jī)變化再次繁殖出第2代，依次下去，便得到最佳型線。但是該試驗(yàn)程序只考慮到了蝸殼自身參數(shù)的影響，而忽略了葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。3.3 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化試驗(yàn)方法大量的試驗(yàn)是在保證其他參數(shù)不變的前提下，只改變某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)得出其優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而忽略了各個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性，因此利用優(yōu)化試驗(yàn)方法：正交回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、D最優(yōu)

14、回歸設(shè)計(jì)方法等就很有必要了。一些文獻(xiàn)中已通過不同實(shí)例計(jì)算出了風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)與一系列參數(shù)之間的回歸函數(shù)關(guān)系式，并采用了優(yōu)化方法進(jìn)行了計(jì)算。其基本思想是在選擇離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，考慮到各個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性，在實(shí)際應(yīng)用中利用優(yōu)化回歸方法，通過試驗(yàn)得到一系列數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)（噪聲值）的非線性回歸，得到一個(gè)非線性方程后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如可將聲壓級(jí)針對(duì)8個(gè)參數(shù)進(jìn)行3次回歸設(shè)計(jì)得出其關(guān)系式 （13）然后采用逐步回歸分析法逐個(gè)引入變量，進(jìn)行因子篩選。每引入一個(gè)新的變量都對(duì)前面的變量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，保留其中對(duì)影響顯著的變量，剔除對(duì)影響不顯著的變量，從而可以得到一個(gè)最優(yōu)回歸方程，該方程中包含所有對(duì)影響顯著的變量。這種

15、優(yōu)化手段用較少的試驗(yàn)就可以得出比較滿意的結(jié)果，但是它不能夠得到各個(gè)噪聲源對(duì)接受者的貢獻(xiàn)。3.4 相干分析技術(shù)圖3 噪聲傳遞系統(tǒng)為了彌補(bǔ)上述缺陷，相干分析技術(shù)也隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而開展了。在噪聲源的識(shí)別中，經(jīng)常遇到的情況是所感受到的噪聲系來自多個(gè)噪聲源，通過相干分析，就可以知道每個(gè)聲源各自對(duì)接受者的影響，這一技術(shù)已在國內(nèi)應(yīng)用。國內(nèi)外一些文獻(xiàn)已利用相干分析技術(shù)分析了離心風(fēng)機(jī)噪聲的噪聲源特性及其產(chǎn)生機(jī)理。其基本理論是基于將噪聲傳遞系統(tǒng)視為一個(gè)多輸入、單輸出的系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個(gè)輸入源之間互不相干，如圖3所示。 3.5 計(jì)算機(jī)指導(dǎo)試驗(yàn)由于試驗(yàn)設(shè)備繁重，工作量大，處理數(shù)據(jù)繁瑣，因此利用電腦監(jiān)控試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的

16、采集和處理是必不可少的，現(xiàn)在可以用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字化動(dòng)靜態(tài)測(cè)試分析。虛擬儀器（簡稱）和卡泰儀器（簡稱）技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速，虛擬儀器被稱為是振動(dòng)、噪聲動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)的革命。(大世普)軟件虛擬儀器庫具有國際先進(jìn)水平的大容量數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理軟件系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大,用途廣泛，可用于進(jìn)行振動(dòng)、沖擊、噪聲、信號(hào)和信息處理、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試()、模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改、故障診斷與樁基檢測(cè)、環(huán)境振動(dòng)與噪聲測(cè)試等諸多分析測(cè)試工作。只是到目前為止，虛擬儀器在風(fēng)機(jī)行業(yè)中應(yīng)用還很少，如果能廣泛應(yīng)用，將會(huì)使離心風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)采集與分析進(jìn)入一個(gè)全新的階段。4 討論圖4 理想殼體模型 (1)對(duì)于離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲而言，數(shù)值模

17、擬及其計(jì)算方法還不成熟，不能得出計(jì)算離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的理論公式，有的即使得到了聲壓與各參數(shù)之間聯(lián)系，還需要借助試驗(yàn)來確定具體關(guān)系式，顯然這些方法只限于對(duì)已有風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算，而不能在對(duì)新風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)。因此考慮蝸殼的離心風(fēng)機(jī)的噪聲模擬及計(jì)算是需要解決的問題。因此，我們的建議是：可以把離心風(fēng)機(jī)蝸殼簡化成一個(gè)具有硬邊界的理想殼體模型，如圖4所示。并暫時(shí)忽略進(jìn)出口軟邊界的影響，推導(dǎo)出殼體內(nèi)的格林函數(shù)，而后將此格林函數(shù)推廣到考慮進(jìn)出口軟邊界的情況，然后利用該函數(shù)對(duì)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部由旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的氣動(dòng)聲場(chǎng)進(jìn)行時(shí) 域求解便可以得到理論解方程。在計(jì)算出離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的三維非穩(wěn)定流場(chǎng)之后，利用該模型和理論解方程就可求出與流場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)聲場(chǎng)，這樣就可以彌補(bǔ)其他計(jì)算模擬方法的不足，正在進(jìn)行這方面的理論和計(jì)算工作，同時(shí)也為同行們進(jìn)行離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲計(jì)算提供參考。目前，已經(jīng)得