吸油煙機(jī)氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬

姜　鴻，張　凱

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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吸油煙機(jī)氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬

姜鴻，張凱

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

【摘要】基于混合CAA(Computational Aeroacoustics)方法，對(duì)某型號(hào)吸油煙機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬研究.首先，利用CFD軟件Fluent對(duì)吸油煙機(jī)的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到吸油煙機(jī)非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的壓力和速度分布.然后，利用Lighthill聲類比方法和Curle方程，采用聲學(xué)軟件Actran計(jì)算得到吸油煙機(jī)的聲場(chǎng).最后，分析了吸油煙機(jī)內(nèi)聲源頻域結(jié)果和聲場(chǎng)的聲壓級(jí)云圖，得到了吸油煙機(jī)噪聲傳播指向特性.研究結(jié)果表明，吸油煙機(jī)噪聲主要為中低頻噪聲，且以離散噪聲為主.在葉片通過頻率下，吸油煙機(jī)噪聲具有明顯的指向性特征，噪聲主要由吸油煙機(jī)內(nèi)離心風(fēng)機(jī)主次進(jìn)風(fēng)口向外部傳播.

【關(guān)鍵詞】吸油煙機(jī)；氣動(dòng)噪聲；混合CAA方法

傳統(tǒng)中式烹飪會(huì)產(chǎn)生大量的油煙，烹調(diào)時(shí)產(chǎn)生油煙含有多種有毒化學(xué)成分，這些有毒化學(xué)成分對(duì)人體肺部、免疫系統(tǒng)等都會(huì)產(chǎn)生有較大的危害[1-3].為解決廚房?jī)?nèi)油煙聚集的問題，人們發(fā)明了吸油煙機(jī).吸油煙機(jī)在改善廚房環(huán)境的同時(shí)，其噪聲問題也引起了人們的重視[4].吸油煙機(jī)內(nèi)的核心部件為多翼式離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)的噪聲主要由氣動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲組成，其中氣動(dòng)噪聲一般占主要成分[5].

計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)(Computational Aeroacoustics, CAA)是采用數(shù)值模擬分析的方法來研究氣動(dòng)聲學(xué)的一門學(xué)科，一般分為兩大類：直接CAA方法和混合CAA方法[6].直接CAA方法可直接求解聲學(xué)波動(dòng)方程，但是由于流場(chǎng)變量和聲學(xué)變量尺度差距較大，聲學(xué)計(jì)算的精度要求較高，所以直接CAA方法對(duì)計(jì)算機(jī)的配置和計(jì)算的精度都有很高的要求，在實(shí)際的工程應(yīng)用中還無法推廣.混合CAA方法中忽略了聲場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的影響，將氣動(dòng)噪聲的計(jì)算分為聲源的產(chǎn)生和聲傳播兩個(gè)步驟：首先采用數(shù)值模擬等方法計(jì)算目標(biāo)流場(chǎng)的非定常流動(dòng)，之后以非定常流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)利用Lighthill聲類比、渦聲理論或線性歐拉方程等方法對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[7].

本文中采用混合方法即利用CFD軟件Fluent結(jié)合聲學(xué)軟件Actran對(duì)吸油煙機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真分析：非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)由Fluent計(jì)算并同時(shí)輸出流場(chǎng)中的速度及壓力信息，之后將流場(chǎng)信息利用積分插值的方法加載到聲學(xué)網(wǎng)格上進(jìn)行氣動(dòng)噪聲的計(jì)算，具體分析流程如圖1.

圖1　氣動(dòng)噪聲計(jì)算分析流程圖Figure 1　Aerodynamic noise calculation flow chart

1計(jì)算模型

首先依據(jù)吸油煙機(jī)加工模型建立計(jì)算模型，吸油煙機(jī)的計(jì)算模型主要由進(jìn)口段、風(fēng)道、離心風(fēng)機(jī)、出口段組成，其中風(fēng)道包括集煙罩、油網(wǎng)、集油杯等；離心風(fēng)機(jī)包括葉輪、蝸殼、電機(jī)、集流器等.建立的吸油煙機(jī)計(jì)算模型如圖2，在計(jì)算模型中格外添加的進(jìn)出口段是為了進(jìn)出口的流動(dòng)能夠充分發(fā)展，使得設(shè)置的邊界條件更加符合實(shí)際情況.

圖2　吸油煙機(jī)計(jì)算模型Figure 2　Calculation model of range hood

2氣動(dòng)噪聲理論分析

1952年，著名的聲學(xué)泰斗Lighthill提出了Lighthill聲類比方程，代表了近代聲學(xué)的開端[7].其推導(dǎo)過程如下.

將連續(xù)性方程和動(dòng)量方程寫為

(1)

(2)

其中pij=pδij-τij.

由(2)式得

(3)

其中應(yīng)力張量T為

(4)

結(jié)合式(1)和(3)得Lighthill方程為

(5)

由于Lighthill方程最初是在自由空間假設(shè)下得到的，沒有考慮固體邊界的作用。而在實(shí)際應(yīng)用中固體邊界對(duì)聲音的產(chǎn)生和傳播都有重要的影響，Curle應(yīng)用基爾霍夫方法在Lighthill方程中考慮靜止固體邊界的影響.Actran中的氣動(dòng)噪聲計(jì)算基于Lighthill聲類比并結(jié)合了Curle的理論，Curle方程的形式為

(6)

式(1～6)中,ρ為密度，υ為速度矢量，δij為Dirac函數(shù)，τij為黏性應(yīng)力張量.

氣動(dòng)噪聲按照頻譜特性可分為離散噪聲和寬頻噪聲，其中離散噪聲是由于葉輪的旋轉(zhuǎn)周期性擊打空氣或鄰近的固壁面(如蝸舌)造成的，其頻率為[8]

(7)

其中z為風(fēng)機(jī)葉輪的葉片數(shù)，n為葉輪轉(zhuǎn)速(r/min)，i為諧波數(shù)i=1,2,3….

本文中吸油煙機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速為940r/min，葉片數(shù)為60，由式(7)計(jì)算得葉片通過頻率(BladePassingFrequency)的基頻為940Hz.

寬頻噪聲產(chǎn)生的機(jī)理較復(fù)雜，主要由風(fēng)機(jī)中氣流流動(dòng)的非定常特性所產(chǎn)生，主要包括湍流噪聲、葉片上流動(dòng)分離形成的噪聲、葉尖渦脫落引起的噪聲[9].離散噪聲在頻譜中主要在幾個(gè)離散的頻率上出現(xiàn)明顯的峰值，而寬頻噪聲在噪聲頻譜上的分布較均勻.

3計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

由于吸油煙機(jī)計(jì)算模型結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，將其分為進(jìn)口段、油網(wǎng)部分、風(fēng)道部分、葉輪、出口段五個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分.使用ANSYSICEMCFD對(duì)進(jìn)口段、出口段以及風(fēng)機(jī)內(nèi)的葉輪劃分了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而對(duì)于油網(wǎng)和風(fēng)道部分則劃分了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.由于風(fēng)道部分包含了離心風(fēng)機(jī)的蝸殼部分，其流動(dòng)情況較復(fù)雜，故對(duì)風(fēng)道進(jìn)行了網(wǎng)格加密.計(jì)算網(wǎng)格如圖3，最終計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)為5 564 437. 為保證吸油煙機(jī)非定常流場(chǎng)的收斂性和計(jì)算精度，先對(duì)其定常流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算.在定常流場(chǎng)計(jì)算中選用Realizablek-ε湍流模型，葉輪選用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他部分為靜止坐標(biāo)系，給定葉輪轉(zhuǎn)速.壁面附近選擇非平衡壁面函數(shù)，進(jìn)出口給定標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.壓力速度耦合方式采用SIMPLC算法，離散格式為二階迎風(fēng)格式.定常流場(chǎng)計(jì)算收斂后，以定常結(jié)果作為初值進(jìn)行非定常流場(chǎng)計(jì)算.為提高噪聲計(jì)算精度，湍流模型選用大渦模擬(LES)模型，亞格子模型選取WALE模型.在非定常流場(chǎng)計(jì)算中，需設(shè)置迭代時(shí)間步長(zhǎng)Δt.依據(jù)奈奎斯特采樣定理，聲場(chǎng)中所能計(jì)算得到的最高頻率fmax=1/2Δt，考慮到吸油煙機(jī)內(nèi)風(fēng)機(jī)的葉片通過頻率為940Hz，設(shè)定fmax為10 000Hz，所以時(shí)間步長(zhǎng)Δt為5×10-5s，計(jì)算2周期穩(wěn)定后開始采樣.

圖3　計(jì)算域網(wǎng)格Figure 3　Computational domain grid

4計(jì)算結(jié)果分析

如圖4，Actran軟件中的iCFD模塊通過讀取CFD計(jì)算結(jié)果，采用積分插值的方法將非定常流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果插值到吸油煙機(jī)的聲學(xué)模型中，完成時(shí)域上的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果到頻域上聲源信息的轉(zhuǎn)換.獲取聲源信息之后，利用Lighthill聲類比結(jié)合Curle理論對(duì)吸油煙機(jī)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行計(jì)算.在吸油煙機(jī)聲學(xué)模型中設(shè)置噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與國(guó)標(biāo)GB/T17713-2011《吸油煙機(jī)》規(guī)定的噪聲測(cè)試的麥克風(fēng)放置位置一致，即以吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)葉輪中心為球心且半徑為1.414m的球中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于比風(fēng)機(jī)葉輪中心低1m的平面上與球面相交的位置上.

圖4　積分插值方法Figure 4　Integral interpolation method

計(jì)算完成后，得到不同頻率下的吸油煙機(jī)聲場(chǎng)云圖和由所有監(jiān)測(cè)場(chǎng)點(diǎn)得到的聲源指向性圖.

4.1Lighthill聲源頻域結(jié)果分析

Actran中可將時(shí)域下流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻域下的聲源信息，如圖5，截取不同頻率下吸油煙機(jī)內(nèi)聲源云圖以觀察吸油煙機(jī)內(nèi)部聲源分布位置和強(qiáng)弱.由圖可知，940Hz時(shí)面聲源強(qiáng)度最大，說明在吸油煙機(jī)的噪聲以離散噪聲為主.在葉片通過頻率之后，蝸殼內(nèi)的體聲源隨著頻率的增大其強(qiáng)度減小，聲源類型以寬頻噪聲為主.

圖5　不同頻率下聲源分布Figure 5　Acosutic source distribution under different frequencies

4.2聲源指向性圖分析

圖6為所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)的極坐標(biāo)圖.從極坐標(biāo)圖上可看出噪聲聲源的指向性：葉片通過頻率940Hz下，監(jiān)測(cè)場(chǎng)點(diǎn)圓周上約110°～240°范圍內(nèi)的聲壓級(jí)較大，此范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)于吸油煙機(jī)的離心風(fēng)機(jī)主進(jìn)風(fēng)口處，據(jù)此判斷葉片通過頻率下吸油煙機(jī)的噪聲主要由離心風(fēng)機(jī)主進(jìn)風(fēng)口向外部輻射.監(jiān)測(cè)場(chǎng)點(diǎn)圓周上約300°～15°(逆時(shí)針方向)范圍對(duì)應(yīng)于風(fēng)機(jī)的次進(jìn)風(fēng)口處，此范圍內(nèi)的噪聲強(qiáng)度相對(duì)于主進(jìn)風(fēng)口處較小.由以上分析可知，離心風(fēng)機(jī)是吸油煙機(jī)的主要噪聲源，這一結(jié)論與文獻(xiàn)[10-11]中吸油煙機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)果相同，同時(shí)也驗(yàn)證了本文中氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬的正確性.

圖6　940 Hz下聲源指向性圖Figure 6　Acoustic source directivity under 940 Hz

4.3聲壓級(jí)云圖分析

如圖7，在Actran中截取吸油煙機(jī)聲場(chǎng)的子午面、回轉(zhuǎn)面，觀察吸油煙機(jī)內(nèi)部聲場(chǎng)在不同頻率下聲壓級(jí)分布.940Hz下，風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)和吸油煙機(jī)漸縮段出口處的聲壓級(jí)較高；500Hz低頻下風(fēng)道內(nèi)和蝸殼內(nèi)的聲壓級(jí)都比1 400Hz下的高，表明吸油煙機(jī)的噪聲主要集中在中低頻.針對(duì)吸油煙機(jī)在特定頻率如葉片通過頻率處噪聲較高的現(xiàn)象，采取被動(dòng)消聲方式降低特定頻率下的噪聲，可取得較好的降噪效果.

圖7　子午面和回轉(zhuǎn)面不同頻率聲壓級(jí)云圖Figure 7　Acoustic pressure contours under different frequencies in meridian and rotary planes

5結(jié)論

本文以混合CAA方法為基礎(chǔ)，對(duì)某吸油煙機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了計(jì)算.分析了Lighthill聲源頻域結(jié)果和吸油煙機(jī)的噪聲指向特性，以及吸油煙機(jī)回轉(zhuǎn)面和子午面上的聲壓級(jí)云圖.結(jié)論如下：

1)從聲源分析結(jié)果得知，吸油煙機(jī)噪聲以離散噪聲為主，且在葉片通過頻率后蝸殼內(nèi)的體聲源隨著頻率的增大其強(qiáng)度減小.

2)葉片通過頻率下吸油煙機(jī)的噪聲主要由離心風(fēng)機(jī)主次進(jìn)風(fēng)口向外部輻射傳播，離心風(fēng)機(jī)為主要噪聲源.

3)吸油煙機(jī)的噪聲主要為中低頻噪聲，在高頻處的噪聲強(qiáng)度較低.

4)依據(jù)吸油煙機(jī)噪聲仿真分析結(jié)果提出降噪措施：針對(duì)特定頻率設(shè)計(jì)吸聲降噪結(jié)構(gòu)，并在噪聲的傳播路徑上即風(fēng)機(jī)的主、次進(jìn)風(fēng)口處安裝該降噪吸聲結(jié)構(gòu)可有效降低噪聲.

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Numerical simulation of the aerodynamic noise in a range hood

JIANG Hong, ZHANG Kai

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Based on the hybrid CAA (Computational Aeroacoustics) method, the aerodynamic noise of a range hood was studied. First, the unsteady flow field of the range hood was calculated in Fluent to obtain the pressure and velocity distribution. Then, the aerodynamic noise of the range hood was numerically calculated by adopting the Lighthill acoustic analogy theory and the Curle equation in Actran. Finally, the acoustic source in the frequency domain, the sound pressure coutours and the directivity of noise radiation were obtained. The results showed that the range hood noise mainly concentrated on low and middle frequencies and exhibited discrete characteristics. Under the blade passing frequency, the range hood noise showed obvious directivity characteristics and radiated outward from the inlet of the centrifugal fan.

Key words:range hood; aerodynamic noise; hybrid CAA method

【文章編號(hào)】1004-1540(2015)01-0058-05

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.011

【收稿日期】2015-11-19《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【作者簡(jiǎn)介】姜鴻( 1990-)，男，遼寧省大連人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械的數(shù)值模擬.

【中圖分類號(hào)】TH432

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

E-mail:09jianghong@sina.com

通信聯(lián)系人：張凱，男，副教授.E-mail: zhangkai@cjlu.edu cn