采用仿魚形葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)性能研究

熊仲營,王夢豪,劉小民,李典,王雷

(西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,710049,西安)

鲹科魚類在自然進(jìn)化過程中形成了多種多樣的外形和高效、快速的游動(dòng)性能。雖然不同魚類物種的外形存在一定的差異,但都具有類似半橢圓、拋物線型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),這種流線型結(jié)構(gòu)具有較好的流場阻力特性。研究表明,鲹科魚類在C形轉(zhuǎn)彎過程中通過身體的快速彎曲產(chǎn)生一個(gè)渦對(duì),然后尾部向身體另一側(cè)運(yùn)動(dòng),使渦向尾部移動(dòng)并到達(dá)尾柄處(尾鰭和身體的結(jié)合處)脫落,通過尾鰭對(duì)其進(jìn)行控制,使渦最終匯入尾跡區(qū),在這C形轉(zhuǎn)彎過程中沒有任何其他渦的脫落,從而不產(chǎn)生魚體分離阻力[1]。多翼離心風(fēng)機(jī)由于尺寸小、流量系數(shù)高、噪聲低的特點(diǎn)多被應(yīng)用在空調(diào)、吸油煙機(jī)和通風(fēng)換氣扇等家用電器中,而在多翼離心風(fēng)機(jī)單圓弧葉片流道內(nèi),氣流流經(jīng)彎曲流道而流出葉輪區(qū),葉片彎曲程度和鲹科魚類身體彎曲時(shí)的姿態(tài)是相似的。

傳統(tǒng)多翼離心風(fēng)機(jī)性能提升的研究除了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量方法外,主要從多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲進(jìn)行了改進(jìn),并取得了一些好的效果。王斗提出了雙圓弧葉片設(shè)計(jì)方法,較好改進(jìn)了單圓弧葉片普遍存在的進(jìn)口載荷大、氣流分離嚴(yán)重的問題[2]。毛全有采用將葉片設(shè)計(jì)為沿葉高方向布置為梯形與矩形的分段設(shè)計(jì)方法,通過數(shù)值研究發(fā)現(xiàn),采用分段設(shè)計(jì)的葉片的風(fēng)機(jī)較原型風(fēng)機(jī)效率提升了3.69%,同時(shí)風(fēng)量增加了16.3%[3]。羅嘉陶等研究了CW-1和C-4翼型葉片,發(fā)現(xiàn)后緣被自然切除的葉片在翼型葉片表面有流線型設(shè)計(jì),且前盤區(qū)域有較低的循環(huán)流量,可獲得較大的風(fēng)量和全壓,較好適用于柜式空調(diào)中多翼離心風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)中[4]。王湛對(duì)雙圓弧葉片在不同的圓弧曲率及角度以及進(jìn)口安裝角等參數(shù)組合方式下的風(fēng)機(jī)性能進(jìn)行了模擬研究,分析表明雙圓弧葉片的氣動(dòng)性能要優(yōu)于單圓弧葉片[5]。伍先俊等通過對(duì)葉片進(jìn)行穿孔,使得部分氣流由葉片的高壓面流向低壓面,從而使渦流分離點(diǎn)移向葉片下方,這樣可降低葉片的出口截面分離區(qū)的渦流強(qiáng)度和尺度,使噪聲得到了降低,但該方法要求有較高的加工精度[6]。焦碩博等發(fā)現(xiàn),采用傾斜葉片在出口角度不變時(shí)由于葉片發(fā)生扭轉(zhuǎn),相比直葉片會(huì)略降低風(fēng)量,但可減小葉道內(nèi)的流動(dòng)分離[7]。Lin等采用NACA4412翼型改進(jìn)了用于筆記本電腦中冷卻風(fēng)扇的葉片型線,緩解了葉片吸力面的流動(dòng)分離,從而提高了風(fēng)機(jī)效率,降低了噪聲[8]。Liu等提取了蒼鷹尾緣的鋸齒結(jié)構(gòu),建立了用于多翼離心風(fēng)機(jī)的尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)的仿生葉片,研究表明,該仿生葉片有效降低了尾跡渦造成的氣動(dòng)噪聲[9]。同時(shí),Liu等對(duì)標(biāo)準(zhǔn)NACA0012翼型和長耳鸮40%展弦截面型線仿生翼型的多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲特性進(jìn)行了研究,對(duì)比發(fā)現(xiàn),仿生翼型既保證了風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能,又有效降低了風(fēng)機(jī)的渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲[10]。

(a)蝸殼和集流器 (b)葉輪圖1 單進(jìn)氣式多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

為了提高多翼離心風(fēng)機(jī)風(fēng)量,降低噪聲,受鲹科魚類機(jī)動(dòng)游動(dòng)姿態(tài)和渦流特征的啟發(fā),本文選取離心風(fēng)機(jī)從頭部到尾柄處進(jìn)行彎曲,使其具有和多翼離心風(fēng)機(jī)前彎葉片相似的彎曲結(jié)構(gòu)。根據(jù)尺寸約束條件,設(shè)計(jì)了一種基于魚體水平輪廓結(jié)構(gòu)的前彎葉片,通過數(shù)值模擬方法考察仿魚形葉片用于提高多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的可行性,揭示了仿魚形葉片提升多翼離心風(fēng)機(jī)性能的原因。

1 計(jì)算模型建立及方法

1.1 物理模型

本文研究的通風(fēng)換氣裝置中多翼離心風(fēng)機(jī)為單進(jìn)氣形式,風(fēng)機(jī)由蝸殼、葉輪及集流器組成,如圖1所示,原型單圓弧葉片葉輪基本參數(shù)如表1所示。

表1 單圓弧葉片葉輪基本設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 仿魚體結(jié)構(gòu)提取與仿生葉片重構(gòu)

關(guān)于魚體外形結(jié)構(gòu)特征的提取,本文采用文獻(xiàn)[11]給出魚體水平剖面的輪廓線方程

魚體水平剖面輪廓線方程的x軸坐標(biāo)范圍為(-0.035 m,0.065 m),總長為0.1 m,魚體水平剖面結(jié)構(gòu)如圖2所示。單圓弧葉片的弧長為17.4 mm,為了能應(yīng)用于多翼離心風(fēng)機(jī)葉輪中,首先需要對(duì)其進(jìn)行比例縮小,使其中弧線長度和單圓弧葉片的中弧線弧長相同,且具有和單圓弧葉片中弧線同樣的進(jìn)出口安裝角,然后將縮小的輪廓線離散為特征坐標(biāo)點(diǎn),再將特征點(diǎn)布置在中弧線兩側(cè),通過樣條擬合方法連接成一個(gè)封閉曲線,從而形成仿魚形葉片輪廓結(jié)構(gòu)。仿魚形葉片與原始單圓弧葉片幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示。仿魚形和原始單圓弧葉片均為對(duì)應(yīng)截面輪廓結(jié)構(gòu)直線拉伸而成的直葉片。

圖2 魚體水平剖面結(jié)構(gòu)

圖3 仿魚形葉片與原始單圓弧葉片幾何結(jié)構(gòu)

1.3 計(jì)算模型、網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

計(jì)算模型主要由進(jìn)口區(qū)、出口區(qū)、蝸殼區(qū)和葉輪區(qū)組成,根據(jù)物理模型的三維結(jié)構(gòu)對(duì)流體區(qū)域進(jìn)行建模,并通過ICEM CFD軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算模型的進(jìn)口向上游延伸了1.5倍集流器出口直徑,出口向下游延伸了3倍風(fēng)機(jī)出口水力直徑。計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 多翼離心風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算模型

首先通過驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性的方法來保證數(shù)值模擬的有效性和準(zhǔn)確性,計(jì)算模型的網(wǎng)格數(shù)分別為94.5、144、200、237.7、356.6萬。不同網(wǎng)格數(shù)對(duì)應(yīng)的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果如圖5所示,可知網(wǎng)格數(shù)超過144萬時(shí),風(fēng)量的計(jì)算結(jié)果基本保持不變。為了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間的合理性,計(jì)算網(wǎng)格定為237.7萬。為了確保劃分網(wǎng)格能反映風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)及其復(fù)雜性,在近壁面進(jìn)行了加密處理,并采用四面體和六面體的混合網(wǎng)格,其中蝸殼區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為99萬,葉輪區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為92.7萬,出口區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為16.8萬,進(jìn)口區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為29.2萬。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

在計(jì)算葉片式流體機(jī)械氣動(dòng)聲學(xué)數(shù)值模擬中,為保證聲學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性,單個(gè)網(wǎng)格單元要滿足緊湊聲源條件,即

Lmax<λmin/10

(1)

a=U/F

(2)

式中:Lmax為單個(gè)網(wǎng)格單元最大尺度,m;λ為聲波波長,m;U為聲速,m/s;F為關(guān)注頻率,Hz。

至于內(nèi)飾設(shè)計(jì)，全新航海家沒有對(duì)MK X的設(shè)計(jì)做出調(diào)整，林肯標(biāo)志性的按鍵式換擋與各功能按鍵依舊集成于操作臺(tái)之上，12.3英寸的數(shù)字儀表盤可按車主需求調(diào)整顯示內(nèi)容。當(dāng)然，如果中控臺(tái)的8英寸觸摸屏尺寸能再大一圈就好了，車載4G Wi-Fi功能、手機(jī)無線充電功能、Apple CarPlay則盡可能與智能手機(jī)做好搭檔。

由于網(wǎng)格尺度和頻率范圍相互關(guān)聯(lián),選取聲場計(jì)算范圍為0～10 000 Hz,故λmin=34 mm,即Lmax<3.4 mm。本文所建立的蝸殼和葉輪區(qū)網(wǎng)格單元最大尺寸為2.5 mm,小于3.4 mm,滿足緊湊聲源條件,從而保證了聲學(xué)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.4 原型風(fēng)機(jī)風(fēng)量測試結(jié)果

原型風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能測試采用型號(hào)為FL-2 ISO的氣動(dòng)性能測試裝置,測試裝置原理為:從風(fēng)機(jī)出來的氣流被導(dǎo)向風(fēng)室,測量靜壓后經(jīng)過整流器,流向噴嘴。根據(jù)伯努利原理,利用流經(jīng)噴嘴前后的壓差可計(jì)算氣流速度,用速度乘以噴嘴截面積即可求得風(fēng)量。實(shí)驗(yàn)中利用輔助風(fēng)機(jī)和調(diào)節(jié)擋板來改變風(fēng)量,同時(shí)可以測量不同風(fēng)量條件下對(duì)應(yīng)的靜壓值,可得到出口相對(duì)靜壓為0時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量,氣動(dòng)性能測試裝置示意圖如圖6所示。氣動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)值模擬的對(duì)比結(jié)果是:實(shí)驗(yàn)測試、數(shù)值計(jì)算流量為280、288 m3/h,絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差為8、2.86%。對(duì)比風(fēng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)測量和數(shù)值計(jì)算結(jié)果,誤差在工程允許的5%范圍內(nèi),證明了本文計(jì)算方法的可靠性。

圖6 氣動(dòng)性能測試裝置示意圖

2 數(shù)值結(jié)果及分析

2.1 定常計(jì)算

2.1.1 數(shù)值模擬方法及結(jié)果 采用CFD商用軟件ANSYS Fluent 18.0對(duì)仿魚形葉片風(fēng)機(jī)和單圓弧原始風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。湍流計(jì)算采用Realizablek-ε模型[12-13],壓力和速度耦合求解算法選用SIMPLE算法,壓力離散格式選取PRESTO!格式。在流動(dòng)控制方程的數(shù)值離散中,湍流耗散方程、能量方程和動(dòng)量方程均設(shè)定為二階迎風(fēng)格式,計(jì)算收斂殘差設(shè)定為10-4。進(jìn)口給定總壓邊界條件,總壓值為101 325 Pa,出口給定靜壓邊界條件,靜壓值為101 325 Pa。進(jìn)口區(qū)、出口區(qū)和蝸殼區(qū)設(shè)定為靜止區(qū)域,葉輪區(qū)設(shè)定為旋轉(zhuǎn)區(qū)域,旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1 100 r/min。原始風(fēng)機(jī)、仿魚形葉片風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為288、324 m3/h,全壓效率為37.89%、43.54%,可知當(dāng)多翼離心風(fēng)機(jī)采用仿魚形葉片時(shí),較采用單圓弧葉片的風(fēng)機(jī)風(fēng)量提高了12.5%,全壓效率提高了5.65%,這說明將魚體流線型輪廓結(jié)構(gòu)用于多翼離心風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)是可行的,增風(fēng)、增效方面可滿足實(shí)際工程應(yīng)用。

2.1.2 葉輪區(qū)流場分析 為了揭示葉輪區(qū)的流動(dòng)狀態(tài),截取沿葉高中間面S2,沿S2平面向進(jìn)口上移20 mm處的S1面以及沿S2面向遠(yuǎn)離進(jìn)口下移20 mm處的S3面的葉輪流域平面,如圖7所示。葉輪區(qū)速度流線如圖8所示。

圖7 計(jì)算模型觀察面位置示意圖

由圖7可知:無論是仿生葉輪還是原型葉輪,在葉輪靠近蝸舌區(qū)域的旋渦強(qiáng)度均大于遠(yuǎn)離蝸舌流道內(nèi)的區(qū)域,這說明蝸舌附近流道內(nèi)的流動(dòng)分離嚴(yán)重,葉輪和蝸殼之間有較強(qiáng)的相互作用,葉輪和蝸舌之間的相互作用造成蝸舌區(qū)的壓力脈動(dòng)是造成風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲較大的一個(gè)原因;同時(shí),在S1、S2、S3這3個(gè)面內(nèi),仿生葉輪內(nèi)部流道的旋渦強(qiáng)度均明顯小于原型葉輪,流場更加均勻,有利于風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的改善;從S1、S2到S3面內(nèi),流道內(nèi)的流動(dòng)劇烈程度不斷降低,這主要是由于風(fēng)機(jī)為單面進(jìn)氣方式,在離進(jìn)口較近的S1面內(nèi),流動(dòng)較為劇烈,旋渦強(qiáng)度較小,葉輪和蝸舌之間的相互作用由于收到強(qiáng)氣流的沖擊作用而得到了削弱,使葉道內(nèi)由于旋渦而造成的阻塞得到改善,氣流流動(dòng)更加順暢,從而提高了風(fēng)機(jī)的效率和流量,降低了葉輪區(qū)域所產(chǎn)生的渦流噪聲,但隨著離進(jìn)口越遠(yuǎn),這種沖擊作用越來越弱,導(dǎo)致葉輪和蝸舌間的旋渦強(qiáng)度增大,仿生葉輪的這種沖擊作用均優(yōu)于原型葉輪,這說明仿生葉輪具有比原型葉輪更好的氣動(dòng)性能,同時(shí)緩解了葉道內(nèi)的流動(dòng)分離;由于魚體表面的流線型結(jié)構(gòu),采用仿魚形葉片使得氣流從葉片前緣進(jìn)入葉道后順著魚體輪廓表面向后流動(dòng),實(shí)現(xiàn)了沿葉片表面較好的流速分布,改善了葉片表面的附面層的分離和發(fā)展,從而降低了葉道內(nèi)的氣流阻力和渦流噪聲。

(a)單圓弧葉片葉輪區(qū)S1、S2和S3的速度流線圖

(b)仿魚形葉片葉輪區(qū)S1、S2和S3面的速度流線圖圖8 葉輪區(qū)速度流線圖

2.2 非定常計(jì)算

以定常計(jì)算收斂后的計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始值,時(shí)間項(xiàng)設(shè)定為二階隱式格式,葉輪區(qū)改用Mesh Motion模型,時(shí)間步長Δt為5.05×10-5s,葉輪旋轉(zhuǎn)5周,當(dāng)監(jiān)控變量的變化呈周期性時(shí),表明風(fēng)機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

2.2.1 葉輪區(qū)渦量分析 葉輪區(qū)渦量分布如圖9所示,可知仿生葉輪和原型葉輪的渦脫落區(qū)域主要集中在遠(yuǎn)離進(jìn)口區(qū)的區(qū)域,旋渦強(qiáng)度最大值區(qū)域分布在葉輪靠近蝸舌的區(qū)域,這主要是由葉輪和蝸舌相互作用造成的。由圖9可知,仿生葉輪的最大值區(qū)域面積小于原型葉輪的,從整個(gè)葉輪區(qū)域的渦分布情況來看,仿生葉輪的渦脫落分布情況優(yōu)于原型葉輪的,這驗(yàn)證了仿生葉輪比原型較好地緩解了葉道內(nèi)流動(dòng)分離的結(jié)論。根據(jù)渦聲理論,氣動(dòng)噪聲與渦量的大小有直接聯(lián)系[14],可知葉輪和蝸舌區(qū)域是風(fēng)機(jī)噪聲的主要來源,因此改善葉輪和蝸舌區(qū)域的流動(dòng)狀況是降低風(fēng)機(jī)渦流噪聲的關(guān)鍵。仿生葉輪區(qū)域的流動(dòng)狀況優(yōu)于原型葉輪的,這說明仿生葉輪區(qū)域的渦流噪聲要小于原型葉輪區(qū)域的。

(a)仿魚形葉片葉輪區(qū) (b)單圓弧葉片葉輪區(qū)圖9 葉輪區(qū)渦量分布圖

2.3 噪聲計(jì)算

2.3.1 噪聲計(jì)算 非定常流動(dòng)計(jì)算穩(wěn)定后,作為FW-H聲學(xué)方程的輸入項(xiàng),設(shè)置葉輪和蝸殼為噪聲源,并設(shè)置噪聲接收點(diǎn),再進(jìn)行葉輪旋轉(zhuǎn)5周的氣動(dòng)噪聲計(jì)算。在設(shè)置噪聲接收點(diǎn)時(shí),按照GB/T 4214.1 —2000中通風(fēng)器具規(guī)定的測試點(diǎn)設(shè)置噪聲接收點(diǎn),基準(zhǔn)體的每一邊長不超過0.7 m,測量表面為半球面,帶有10個(gè)測點(diǎn),測點(diǎn)分布情況如圖10所示,半球面測量表面的半徑r設(shè)定為1.5 m。監(jiān)測點(diǎn)1～10的位置坐標(biāo)為(0,1.485 m,0.039 m)、(0,-0.743 m,1.325 m)、(0,-0.743 m,-1.247 m)、(0.45 m,0.671 m,1.201 m)、(0.45 m,0.671 m,-1.123 m)、(0.45 m,-1.342 m,0.039 m)、(0.9 m,0.995 m,0.039 m)、(0.9 m,-0.498 m,0.901 m)、(0.9 m,-0.498 m,-0.823 m)、(1.277 m,0,0.039 m)。

圖10 噪聲計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)布置圖

通過計(jì)算聲場,獲得按照上述位置布置的10個(gè)點(diǎn)的聲壓級(jí)噪聲值,如表2所示。由表2可知,每個(gè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均不同,表明多翼離心風(fēng)機(jī)的噪聲聲場并不是沿半球面均勻分布的,而是具有一定規(guī)律的指向性,原型風(fēng)機(jī)的最大聲壓級(jí)為37.38 dB,在3點(diǎn),4點(diǎn)聲壓級(jí)值緊隨其后,這說明原型風(fēng)機(jī)的噪聲向兩側(cè)傳遞的噪聲強(qiáng)度大于出口方向,而仿魚形葉片風(fēng)機(jī)在1點(diǎn)的聲壓級(jí)最大,為34.8 dB,其他各點(diǎn)均和1點(diǎn)差距1 dB以上,說明仿魚形葉片風(fēng)機(jī)在出口方向具有較大的噪聲強(qiáng)度。這兩類風(fēng)機(jī)噪聲監(jiān)測點(diǎn)的均值分別為35.73、32.95 dB,相差2.78 dB,說明仿魚形葉片具有較好的降噪效果。

表2 兩種風(fēng)機(jī)模型監(jiān)測點(diǎn)處聲壓級(jí) dB

聲場計(jì)算完成后,通過傅里葉變換可得到噪聲頻譜圖,其中葉片頻率的計(jì)算式為

(3)

式中I為諧波序號(hào)(I=1時(shí)為基頻)。計(jì)算可得風(fēng)機(jī)基頻為660 Hz。本文選取兩種風(fēng)機(jī)的噪聲最大值點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析,分別為1點(diǎn)和3點(diǎn),這兩種風(fēng)機(jī)在1、3點(diǎn)的噪聲頻譜如圖11所示。由圖11可知,噪聲隨頻率呈周期性變化,在頻率為660 Hz處出現(xiàn)峰值,這與式(3)計(jì)算的風(fēng)機(jī)基頻相同,驗(yàn)證了噪聲模擬計(jì)算的正確性。

(a)兩種型式風(fēng)機(jī)在1點(diǎn)的噪聲頻譜圖

(b)兩種型式風(fēng)機(jī)在3點(diǎn)的噪聲頻譜圖圖11 兩種型式風(fēng)機(jī)在1點(diǎn)和3點(diǎn)的噪聲頻譜圖

對(duì)于1點(diǎn),原型風(fēng)機(jī)和仿魚形葉片風(fēng)機(jī)的噪聲最大值點(diǎn)分布規(guī)律相同,均在230 9 Hz處聲壓級(jí)達(dá)到最大,即原型風(fēng)機(jī)起決定作用的聲壓級(jí)最大值為23.9 dB,仿魚形葉片風(fēng)機(jī)起決定作用的聲壓級(jí)最大值為20.4 dB,小于原型葉片的最大聲壓級(jí);對(duì)于3點(diǎn),原型風(fēng)機(jī)在頻率為230 9 Hz處聲壓級(jí)達(dá)到最大值27.6 dB,仿魚形葉片風(fēng)機(jī)的最大值為17.8 dB,小于原型風(fēng)機(jī)的最大聲壓級(jí),但在3點(diǎn),仿魚形葉片風(fēng)機(jī)和原型風(fēng)機(jī)并不是在同一頻率點(diǎn)取得最大值。從0～10 000 Hz的噪聲聲壓級(jí)分布情況可知,對(duì)于原型風(fēng)機(jī)1點(diǎn)和3點(diǎn),在小于500 Hz的低頻聲段均存在較高的聲壓級(jí),而在500～10 000 Hz中頻聲段,呈現(xiàn)明顯的周期性變化,但均存在幾個(gè)峰值,這說明對(duì)于原型風(fēng)機(jī),噪聲在低頻聲段和中頻聲段都有分布;對(duì)于仿魚形葉片風(fēng)機(jī),在0～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為周期性變化,同樣存在幾個(gè)峰值,但在低頻聲段具有較低的聲壓級(jí),主要集中在中頻聲段范圍內(nèi),這說明原型風(fēng)機(jī)和仿魚形葉片風(fēng)機(jī)噪聲頻率分布規(guī)律不一致。由于不同聲段噪聲的傳播特性不同,所以原型風(fēng)機(jī)和仿魚形葉片風(fēng)機(jī)在半球面10個(gè)測點(diǎn)的聲壓級(jí)分布規(guī)律不同。

原型風(fēng)機(jī)與仿魚形葉片風(fēng)機(jī)1點(diǎn)和3點(diǎn)的聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜如圖12所示。對(duì)于1點(diǎn),在0～630 Hz范圍內(nèi),原型風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)明顯高于仿魚形葉片風(fēng)機(jī),這說明在低頻聲段原型風(fēng)機(jī)對(duì)噪聲有重要的貢獻(xiàn),而且原型風(fēng)機(jī)和仿魚形葉片風(fēng)機(jī)噪聲頻率分布規(guī)律不同;在2 000～2 500 Hz范圍內(nèi),原型風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)達(dá)到最大值33.43 dB,而仿魚形葉片風(fēng)機(jī)在2 500～3 150 Hz范圍內(nèi),聲壓級(jí)達(dá)到最大值30.07 dB,低于原型風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)的最大值;在630～800 Hz和2 500～6 300 Hz范圍內(nèi),仿魚形葉片風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)大于原型風(fēng)機(jī),其他頻率段均低于原型風(fēng)機(jī),但仿魚形葉片風(fēng)機(jī)起支配作用的聲壓級(jí)仍小于原型風(fēng)機(jī)。

(a)兩種風(fēng)機(jī)在1點(diǎn)的聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜圖

(b)兩種風(fēng)機(jī)在3點(diǎn)的聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜圖圖12 兩種多翼離心風(fēng)機(jī)在1點(diǎn)和3點(diǎn)的聲壓級(jí)1/3倍頻程頻譜圖

對(duì)于3點(diǎn),在0～630 Hz范圍內(nèi),原型風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)高于仿魚形葉片風(fēng)機(jī),這和1點(diǎn)的規(guī)律一致;在2 000～2 500 Hz范圍內(nèi),原型風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)達(dá)到最大值,為37.63 dB,仿魚形葉片風(fēng)機(jī)在2 500～3 150 Hz范圍內(nèi),聲壓級(jí)達(dá)到最大值,為29.1 dB,低于原型風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)的最大值;同樣,在630～800 Hz、1 250～1 600 Hz、2 500～4 000 Hz和6 300～10 000 Hz范圍內(nèi),仿魚形葉片風(fēng)機(jī)的聲壓級(jí)大于原型風(fēng)機(jī)的,其他頻率段均低于原型風(fēng)機(jī),但仿魚形葉片風(fēng)機(jī)起支配作用的聲壓級(jí)小于原型風(fēng)機(jī)的。

2.3.2 蝸舌區(qū)域的聲壓脈動(dòng)時(shí)均值分析 仿魚形葉片風(fēng)機(jī)和原型風(fēng)機(jī)蝸舌區(qū)域表面局部聲壓脈動(dòng)時(shí)均值Q分布如圖13所示。由圖13可知,仿魚形葉片風(fēng)機(jī)蝸舌區(qū)域的聲源區(qū)域面積小于原型風(fēng)機(jī)蝸舌區(qū)域,說明采用仿魚形葉片可有效降低蝸舌部位處的聲壓脈動(dòng),減弱葉片與蝸舌之間的非定常相互作用,從而降低多翼離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲。

(a)仿魚形葉片蝸舌區(qū)域 (b)單圓弧葉片蝸舌區(qū)域圖13 蝸舌區(qū)域壓力脈動(dòng)

從流場渦量分布圖、蝸舌區(qū)域壓力脈動(dòng)圖和噪聲計(jì)算分析可知,盡管仿魚形葉片和單圓弧等厚葉片具有相同的中弧線特征,但仿魚形葉片具有與單圓弧等厚葉片不同的葉片型線和尾緣結(jié)構(gòu),在尾緣形成的尾流射流角度相對(duì)于單圓弧等厚葉片發(fā)生了偏轉(zhuǎn),仿魚形葉片降低了尾流射流對(duì)蝸舌和蝸殼其他區(qū)域的沖擊強(qiáng)度,減弱了葉片尾緣的“尾流-射流”效應(yīng),改善了尾流和蝸舌區(qū)域以及蝸殼其他部分的相互耦合作用,從而降低了仿魚形葉片風(fēng)機(jī)蝸殼內(nèi)部的氣流沿程阻力,提高了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能,從根本上改善了蝸舌和蝸殼其他區(qū)域內(nèi)的聲壓脈動(dòng)強(qiáng)度,從而有效降低了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲。

3 結(jié) 論

基于鲹科魚類機(jī)動(dòng)游動(dòng)姿態(tài)和渦流特征,對(duì)通風(fēng)換氣裝置用多翼離心風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了仿生重構(gòu)設(shè)計(jì),采用數(shù)值方法研究了單圓弧原型葉片和仿魚形葉片對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能和噪聲的影響。獲得的主要結(jié)論如下。

(1)仿魚形葉片風(fēng)機(jī)與單圓弧原型葉片風(fēng)機(jī)相比,風(fēng)量增大了36 m3/h,效率提高了5.65%,表明將魚體流線型輪廓結(jié)構(gòu)和彎曲姿態(tài)用于多翼離心風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)是有效的。從增風(fēng)增效的角度來看,仿魚形葉片設(shè)計(jì)可滿足實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用的要求。

(2)通過對(duì)兩種類型風(fēng)機(jī)進(jìn)行的噪聲計(jì)算可知,對(duì)于原型風(fēng)機(jī),噪聲在低頻聲段和中頻聲段都有分布,而仿魚形葉片風(fēng)機(jī)噪聲主要集中在中頻聲段范圍內(nèi),這說明原型風(fēng)機(jī)和仿魚形葉片風(fēng)機(jī)噪聲頻率分布規(guī)律不相同,采用仿魚形葉片的多翼離心風(fēng)機(jī)在測點(diǎn)處噪聲平均值降低了2.78 dB。

(3)由于魚體表面具有流線型結(jié)構(gòu),采用仿魚形葉片實(shí)現(xiàn)了沿葉片表面較好的流速分布,改善了葉片表面的附面層的分離和發(fā)展,從而降低了葉道內(nèi)的氣流阻力,改善了葉道內(nèi)的渦流噪聲。同時(shí),仿魚形葉片在尾緣形成的尾流射流降低了對(duì)蝸舌和蝸殼的沖擊強(qiáng)度,改善了蝸舌和蝸殼表面的聲壓脈動(dòng)強(qiáng)度,有效降低了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲。