葉片進(jìn)口安裝角對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)噪聲的影響*

艾文森 陳雪江/西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

葉片進(jìn)口安裝角對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)噪聲的影響*

艾文森 陳雪江/西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

應(yīng)用數(shù)值模擬的方法，分別對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)及聲學(xué)計(jì)算，并進(jìn)一步研究了葉片進(jìn)口安裝角對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能和噪聲的影響，獲得了風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)流量下的性能、蝸舌處壓力脈動(dòng)及風(fēng)機(jī)進(jìn)口噪聲隨葉片進(jìn)口安裝角的變化規(guī)律。最后，在對(duì)數(shù)值結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，獲得了提高風(fēng)機(jī)性能及降低風(fēng)機(jī)噪聲的最佳葉片進(jìn)口安裝角。

葉片進(jìn)口安裝角；多翼離心風(fēng)機(jī)；壓力脈動(dòng)；噪聲

0 引言

多翼式離心風(fēng)機(jī)具有整體尺寸小、流量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)。隨著社會(huì)生活水平的提高，人們對(duì)空調(diào)品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，多翼離心風(fēng)機(jī)作為空調(diào)系統(tǒng)中的主要噪聲源而受到廣泛關(guān)注。目前，許多學(xué)者采用數(shù)值計(jì)算分析或試驗(yàn)分析的方法對(duì)多翼風(fēng)機(jī)的降噪進(jìn)行了大量研究，大部分降噪的方法都是基于改變蝸舌形狀來(lái)降低壓力脈動(dòng)[1-10]。Sandra Velarde-Suarez等研究了蝸舌形狀及位置對(duì)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)增大葉輪與蝸舌的間距能減小蝸舌處的壓力脈動(dòng)并且降低噪聲[2-3]。蔡濤等通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的方法,對(duì)某多翼離心風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口安裝角和蝸殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后風(fēng)機(jī)在氣動(dòng)性能和噪聲性能上有較大改善[4]。李棟等發(fā)現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)采用階梯蝸舌能夠減弱氣流對(duì)蝸舌的沖擊，從而降低風(fēng)機(jī)噪聲[5]。吳大轉(zhuǎn)等研究了不等距布置葉片對(duì)微型風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的影響，提出了5種葉片分布方式并進(jìn)行了性能和氣動(dòng)噪聲性能分析[6]。王軍等提出了一種基于非定常流場(chǎng)的多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲分析方法，認(rèn)為多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的峰值主要集中在基頻及諧波附近[7]。葉舟等研究了蝸舌部分及出口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，認(rèn)為改善蝸舌及出口幾何結(jié)構(gòu),可以有效提高風(fēng)機(jī)的壓頭及運(yùn)行效率[8]。劉國(guó)丹等研究了多翼離心風(fēng)機(jī)的出口安裝角、蝸舌曲率半徑和蝸殼型線對(duì)風(fēng)機(jī)的影響，并確定了降噪優(yōu)化方案[9]。秦國(guó)良等對(duì)某多翼離心風(fēng)機(jī)采用傾斜蝸舌，有效降低了離心風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲[10]。

綜上可見(jiàn)，對(duì)于多翼離心風(fēng)機(jī)降噪的研究大多集中于蝸舌形狀與位置對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的影響，對(duì)于葉片進(jìn)口安裝角對(duì)噪聲影響的研究還比較少，因此本文應(yīng)用FLUENT軟件研究了葉片進(jìn)口安裝角對(duì)某多翼離心風(fēng)機(jī)蝸舌處壓力脈動(dòng)以及性能和噪聲的影響規(guī)律，并獲得了進(jìn)口安裝角的最優(yōu)方案。

1 數(shù)值模型

本文所研究的風(fēng)機(jī)為空調(diào)用雙吸多翼離心風(fēng)機(jī)，單臺(tái)設(shè)計(jì)流量為345m3/h，單側(cè)葉輪的葉片數(shù)為41，葉輪外徑135mm，葉輪內(nèi)徑113.6mm，葉片進(jìn)口安裝角為74.5°，葉片出口安裝角為151.5°，葉輪轉(zhuǎn)速為1 095r/min。圖1為該風(fēng)機(jī)的葉輪與蝸殼三維幾何模型。

圖1 葉輪與蝸殼三維幾何模型

為了進(jìn)一步研究葉片進(jìn)口安裝角對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)性能及噪聲的影響，本文應(yīng)用FLUENT軟件分別對(duì)進(jìn)口安裝角為27.5°，30°，35°，40°，45°， 60°，74.5°（原風(fēng)機(jī)）和84.5°時(shí)風(fēng)機(jī)的壓力、效率、蝸舌處壓力脈動(dòng)以及進(jìn)口噪聲進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1.1 網(wǎng)格劃分

為了保證計(jì)算出口處的流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定，在風(fēng)機(jī)出口后面適當(dāng)延長(zhǎng)了一段距離，同時(shí)，為了使風(fēng)機(jī)進(jìn)口條件更加接近真實(shí)流動(dòng)狀況，對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口采用了半球模型，從而風(fēng)機(jī)整機(jī)計(jì)算物理模型如圖2所示。整個(gè)計(jì)算域可分為進(jìn)口區(qū)域、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域以及風(fēng)機(jī)出口延伸區(qū)域等四個(gè)部分。應(yīng)用ICEM軟件對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終形成的整機(jī)網(wǎng)格數(shù)量為580萬(wàn)。

圖2 風(fēng)機(jī)整機(jī)計(jì)算物理模型

1.2 邊界條件

風(fēng)機(jī)進(jìn)口及出口靜壓均設(shè)置為大氣壓，出口目標(biāo)流量為0.115kg/s，葉輪采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，葉輪轉(zhuǎn)速為1 095r/min，壁面邊界條件為無(wú)滑移邊界條件。

1.3 湍流模型與聲學(xué)模型

本文分別對(duì)該多翼離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)計(jì)算。其中穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用的湍流模型為k-ε標(biāo)準(zhǔn)模型，壓力與速度耦合方法為SIMPLE算法，動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能以及湍流耗散方程均采用二階迎風(fēng)格式離散，各項(xiàng)殘差均設(shè)置為10-5。而非穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用的湍流模型為k-ε Realizable模型，壓力與速度耦合方法為SIMPLEC算法，時(shí)間項(xiàng)、動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能以及湍流耗散方程項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式離散，各項(xiàng)殘差均設(shè)置為10-6。

在進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)，采用如下公式確定計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)，

式中：n為葉輪轉(zhuǎn)速；z為葉片數(shù)；k為轉(zhuǎn)過(guò)單流道所需的時(shí)間步數(shù)，這里取k=16。因此，本文所取的時(shí)間步長(zhǎng)為：Δt=8.35×10-5s，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)一圈所需656個(gè)時(shí)間步。在葉輪轉(zhuǎn)過(guò)兩圈后即可以獲得比較好的周期性非穩(wěn)態(tài)結(jié)果。

聲學(xué)模型采用F-WH計(jì)算模型。在獲得比較好的非穩(wěn)態(tài)結(jié)果后加入聲學(xué)模型，以所有的壁面為聲源，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一圈后計(jì)算進(jìn)口截面軸線上距離進(jìn)口截面一米處的聲壓。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2.1 進(jìn)口安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響

首先對(duì)原風(fēng)機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，在設(shè)計(jì)工況下得到的風(fēng)機(jī)全壓為78.2Pa，試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)機(jī)全壓為83Pa，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)的相對(duì)誤差為：

由此可見(jiàn)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果相對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)是可靠的，說(shuō)明我們可以利用建立的數(shù)值模型來(lái)進(jìn)一步研究不同的進(jìn)口安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響規(guī)律。

圖3為該風(fēng)機(jī)的全壓、靜壓以及全壓效率隨葉片進(jìn)口安裝角的變化情況。由圖可知，葉片進(jìn)口安裝角過(guò)大或者過(guò)小均導(dǎo)致風(fēng)機(jī)全壓、靜壓和全壓效率的下降。這是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)口安裝角過(guò)大時(shí)進(jìn)口沖擊損失有所增加，葉片進(jìn)口流動(dòng)狀況不好，導(dǎo)致效率降低；而進(jìn)口安裝角過(guò)小時(shí)，進(jìn)口處葉片彎曲度過(guò)大，分離損失增加，同樣致使效率降低。因此，根據(jù)圖3可知，當(dāng)葉片進(jìn)口安裝角在40°～45°之間時(shí)能夠獲得最大的全壓、靜壓和全壓效率。

2.2 進(jìn)口安裝角對(duì)蝸舌處壓力脈動(dòng)的影響

在獲得穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果后，又進(jìn)一步對(duì)各進(jìn)口安裝角下的風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)計(jì)算，并將所獲得的蝸舌處的壓力脈動(dòng)進(jìn)行比較。圖4為風(fēng)機(jī)軸向截面示意圖，在風(fēng)機(jī)單個(gè)葉輪的軸向選取4個(gè)截面，分別定為a,b,c,d,其中a截面在蝸殼的中央，d截面距離蝸殼邊緣7mm，b和c截面均勻分布在a截面和d截面之間。

圖3 全壓、靜壓以及全壓效率隨葉片進(jìn)口安裝角的變化圖

圖4 風(fēng)機(jī)軸向截面示意圖

圖5 b截面上蝸舌處的壓力脈動(dòng)時(shí)域結(jié)果隨葉片進(jìn)口安裝角的變化圖

圖5給出了b截面上蝸舌處的壓力脈動(dòng)時(shí)域結(jié)果隨葉片進(jìn)口安裝角的變化情況，葉輪旋轉(zhuǎn)一圈會(huì)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)處出現(xiàn)與葉片數(shù)相等的周期，即41個(gè)周期，為了更加清晰地比較蝸舌處壓力脈動(dòng)隨葉片進(jìn)口安裝角的變化情況，這里只取了其中的9個(gè)周期，即0.012s（60/1 095/41× 9≈0.012）。從圖中可知，在不同的葉片進(jìn)口安裝角下，蝸舌處壓力脈動(dòng)均出現(xiàn)了良好的周期性，即在0.012s內(nèi)出現(xiàn)9個(gè)周期。同時(shí)，隨著葉片進(jìn)口安裝角的減小，壓力脈動(dòng)的幅值逐漸降低，當(dāng)進(jìn)口安裝角減小到30°時(shí)獲得最小壓力脈動(dòng)幅值，但隨著進(jìn)口安裝角的進(jìn)一步減小，壓力脈動(dòng)幅值又有了上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)槲伾嗵幍闹芷谛詨毫γ}動(dòng)是由葉輪出口氣流周期性地打在蝸舌上形成的，隨著葉片進(jìn)口安裝角的減小，葉輪進(jìn)口處氣流與葉片的沖角也有所減小，從而使得進(jìn)口沖擊損失減小，改善了葉輪內(nèi)氣體的流動(dòng)，因而葉輪出口以及蝸舌附近氣體的流動(dòng)也隨之改善。如圖6所示為原風(fēng)機(jī)與進(jìn)口安裝角為35°時(shí)b截面葉輪出口及蝸舌絕對(duì)速度流線的對(duì)比，從圖中可以看出當(dāng)葉片進(jìn)口安裝角為35°時(shí)，葉輪出口及蝸舌附近流動(dòng)狀況更好，因此其蝸舌壓力脈動(dòng)值也更低。

圖6 葉輪出口與蝸舌絕對(duì)速度流線圖

圖7 b截面上蝸舌處的壓力脈動(dòng)頻域結(jié)果隨葉片進(jìn)口安裝角的變化圖

將葉輪旋轉(zhuǎn)一圈所獲得的壓力脈動(dòng)時(shí)域結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）即可得到不同進(jìn)口安裝角壓力脈動(dòng)的頻域結(jié)果。圖7給出了b截面上蝸舌處的壓力脈動(dòng)頻域結(jié)果隨葉片進(jìn)口安裝角的變化情況，從圖中可以看出，對(duì)于不同的進(jìn)口安裝角，在葉片通過(guò)頻率（BPF=1 095×41/ 60≈750Hz）處均出現(xiàn)明顯的峰值，這與圖5所示的時(shí)域結(jié)果中良好的周期性是相對(duì)應(yīng)的。隨著葉片進(jìn)口安裝角的減小，BPF處壓力脈動(dòng)的峰值逐漸降低，當(dāng)進(jìn)口安裝角減小到30°時(shí)獲得最小的脈動(dòng)峰值，但隨著角度的進(jìn)一步減小，脈動(dòng)峰值有上升的趨勢(shì)，這與壓力脈動(dòng)時(shí)域結(jié)果也是一致的。

為了更直觀地看出BPF處壓力脈動(dòng)峰值隨葉片進(jìn)口安裝角的變化規(guī)律，圖8給出了蝸舌處壓力脈動(dòng)在BPF處的峰值隨葉片進(jìn)口安裝角的變化情況。從圖中可以看出，在葉片進(jìn)口安裝角為30°時(shí)，壓力脈動(dòng)峰值達(dá)到最小值，為0.737Pa，而原風(fēng)機(jī)的壓力脈動(dòng)峰值為3.523Pa，因此通過(guò)選擇合適的葉片進(jìn)口安裝角可大大減小蝸舌處壓力脈動(dòng)的峰值。

圖8 蝸舌處壓力脈動(dòng)在BPF處的峰值隨葉片進(jìn)口安裝角的變化圖

2.3 進(jìn)口安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)口噪聲的影響

在獲得良好的周期性非穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果后，進(jìn)一步加入聲學(xué)模型，即F-WH模型進(jìn)行聲學(xué)計(jì)算。本文計(jì)算了不同的葉片進(jìn)口安裝角下，風(fēng)機(jī)進(jìn)口軸線上距離集流器進(jìn)口截面1m處的聲壓級(jí)。

由試驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)口噪聲的聲壓級(jí)為48.1dB，由聲學(xué)模型計(jì)算獲得的進(jìn)口噪聲的聲壓級(jí)為46.9dB。聲學(xué)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為：

模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差較小，說(shuō)明本文應(yīng)用的聲學(xué)計(jì)算模型是可靠的。因此可以進(jìn)一步利用聲學(xué)計(jì)算模型研究葉片進(jìn)口安裝角對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的影響規(guī)律。

圖9給出了風(fēng)機(jī)進(jìn)口聲壓級(jí)隨葉片進(jìn)口安裝角的變化情況，由此可以看出，隨著進(jìn)口安裝角的減小，進(jìn)口噪聲的聲壓級(jí)逐漸降低，當(dāng)進(jìn)口安裝角為40°時(shí)，獲得聲壓級(jí)的最小值，最小值為41.0dB，但隨著進(jìn)口安裝角的進(jìn)一步減小，進(jìn)口噪聲的聲壓級(jí)又有了上升的趨勢(shì)。多翼離心風(fēng)機(jī)的噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲與渦流噪聲組成。由前面的計(jì)算結(jié)果可知，葉片進(jìn)口安裝角過(guò)大或者過(guò)小不僅會(huì)增加蝸舌處壓力脈動(dòng)的幅值，從而增大旋轉(zhuǎn)噪聲，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致葉輪內(nèi)氣體流動(dòng)惡化，增大渦流噪聲。圖中顯示，葉片的進(jìn)口安裝角在30°到40°的范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)的進(jìn)口噪聲最低，這與壓力脈動(dòng)的計(jì)算結(jié)果是相一致的。因此，通過(guò)選擇合適的葉片進(jìn)口安裝角可以大大降低風(fēng)機(jī)噪聲，即采用40°的進(jìn)口安裝角時(shí)，可以比原風(fēng)機(jī)降低約5.9dB。

圖9 風(fēng)機(jī)進(jìn)口聲壓級(jí)隨葉片進(jìn)口安裝角的變化圖

3 結(jié)論

本文應(yīng)用FLUENT軟件分別對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)在不同進(jìn)口安裝角下進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)以及聲學(xué)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果表明：降低進(jìn)口安裝角有利于風(fēng)機(jī)靜壓、全壓以及全壓效率的提高，當(dāng)進(jìn)口安裝角為40°時(shí)獲得最佳的風(fēng)機(jī)性能；非穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果表明：降低進(jìn)口安裝角可以降低蝸舌處壓力脈動(dòng)，當(dāng)進(jìn)口安裝角為30°時(shí)獲得最小的壓力脈動(dòng)峰值；聲學(xué)計(jì)算結(jié)果表明：降低進(jìn)口安裝角可以降低風(fēng)機(jī)噪聲，當(dāng)進(jìn)口安裝角為40°時(shí)可以獲得最小的噪聲值即41.0dB，比原風(fēng)機(jī)計(jì)算值降低了5.9dB。

綜合上述結(jié)果：對(duì)于本文所研究的多翼離心風(fēng)機(jī)，葉片進(jìn)口安裝角為40°時(shí)，既能獲得較高的壓力和效率，又能獲得較低的風(fēng)機(jī)進(jìn)口噪聲，即噪聲從原來(lái)的46.9dB，降低至41.0dB，降低了5.9dB。因此，該風(fēng)機(jī)的最優(yōu)進(jìn)口安裝角為40°。

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Influence of Inlet Angle of Blades on Noise from Multi-blade Centrifugal Fans

Ai Wen-sen,Chen Xue-jiang/School of Energy and Power Engineering,Xi'an Jiaotong University

Steadycalculation,unsteady calculation and acoustic calculation are carried out by using numerical simulation methods respectively.Moreover,the influence of inlet blade angles on performance and the noise from multi-blade centrifugal fans is studied as well.At the design point of flow rate,the variation of performance, pressure fluctuation near volute tongue and inlet noise of fan with inlet blade angles is analyzed.Finally,the optimization of inlet blade angle，which both improves performance and reduces noise，is obtained from the analysis of numerical results.

Inletangleofblade; Multi-bladecentrifugalfan;Pressure fluctuation;Noise

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）02-0037-07

10.16492/j.fjjs.2016.02.0112

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（2012CB026001）

2015-12-12陜西西安710049