軸流通風(fēng)機仿生降噪方法

楊文琪， 賽慶毅， 郭丹閣， 黃典貴， 王乃安

(上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093)

隨著軸流通風(fēng)機在現(xiàn)代社會中的廣泛應(yīng)用，如何降低風(fēng)機噪聲已逐漸成為人們關(guān)注的重點。軸流通風(fēng)機噪聲主要產(chǎn)生于空氣動力變化、機械振動、媒體間相互作用以及電力拖動系統(tǒng)[1]。近年來，模仿生物形態(tài)的仿生葉片被應(yīng)用于飛機、葉輪機械等產(chǎn)品的降噪研究上[2]。1991年，Howe[3-4]首先將類似貓頭鷹羽毛的鋸齒結(jié)構(gòu)應(yīng)用于翼型，通過鋸齒不同波長及齒高的組合探究鋸齒翼的降噪效果與機理，并在此基礎(chǔ)上給出合理的降噪預(yù)測模型。Dassen等[5]利用不同翼型和尾緣形狀的平板進行風(fēng)洞測量，探究鋸齒形尾緣的降噪潛力，結(jié)果顯示所有鋸齒尾緣形狀的翼型平板噪聲降低3～8 dB。Jones等[6-7]采用直接數(shù)值模擬(DNS)方法對有鋸齒和無鋸齒的NACA-0012翼型進行研究，得出在有鋸齒情況下，翼型尾緣噪聲的振幅會減小，而降低噪聲的頻率間隔會隨著鋸齒長度的不同而不同，尾緣鋸齒會破壞對流形成的較大湍流結(jié)構(gòu)，并促進由鋸齒產(chǎn)生的馬蹄渦的發(fā)展。Wang等[8]采用大渦模擬(LES)并結(jié)合Ffowcs Williams和Hawkings方程對尾緣鋸齒機翼在低雷諾數(shù)條件下的空氣動力學(xué)和聲學(xué)特性進行研究，發(fā)現(xiàn)仿生耦合翼型周圍監(jiān)測點的聲壓級平均值降低了9.94 dB。張廣等[9]、葉學(xué)民等[10]發(fā)現(xiàn)鋸齒結(jié)構(gòu)可以降低流場中的壓力脈動，改變脫落渦的結(jié)構(gòu)，從而降低風(fēng)機氣動噪聲。鄔長樂等[11]通過數(shù)值方法比較了波形前緣、鋸齒尾緣和表面凹坑3種仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用在離心風(fēng)機葉片上時的降噪效果，波形前緣和鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)對離心風(fēng)機都有較好的降噪效果，而表面凹坑結(jié)構(gòu)雖抑制了吸力面上的分離流，卻使噪聲有所增加。

目前，國內(nèi)外對仿生葉片氣動噪聲的研究大多停留在二維翼型、二維平面葉柵或二維直葉片上，將仿生學(xué)研究應(yīng)用到三維葉片上的例子還較少，因真實軸流通風(fēng)機葉片、飛機機翼具有強三維流動特征，所以真實葉片的三維結(jié)構(gòu)也會影響仿生葉片的噪聲值。筆者對某軸流通風(fēng)機葉片進行三維造型建模，得到鋸齒尾緣葉片和波浪前緣鋸齒尾緣葉片，通過計算分析仿生葉片的氣動性能及噪聲特性研究軸流通風(fēng)機的降噪方法。

1 研究對象

以某軸流通風(fēng)機為研究對象，轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，體積流量為105m3/h，葉片數(shù)為9。三維葉片模型是通過將11個截面的翼型參數(shù)導(dǎo)入Catia中建立而成的，如圖1葉片三維建模流程圖所示，把導(dǎo)入的翼型點逐次連接成線，由線生成面，再由面最終得到葉片實體，構(gòu)建三維葉片模型。風(fēng)機葉片的翼型選自USST12翼型[12]，然后利用Profili改變翼型厚度，得到從根部12%c相對厚度到頂部7%c相對厚度的翼型，構(gòu)成11個截面的翼型族，其中c為翼型的弦長。針對各截面安裝角和弦長進行正交優(yōu)化[11]，得到表1所示的葉片幾何參數(shù)。

(a) 點

(b) 線

(c) 面

(d) 實體圖1 風(fēng)機葉片建模過程圖Fig.1 Modeling process diagram of fan blade

表1 葉片幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of the blade

所采用的尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)為切開式，在Catia中將葉片尾緣切割成鋸齒狀，得到鋸齒尾緣葉片模型。表2為相同齒高不同齒數(shù)的鋸齒尾緣葉片幾何參數(shù)，其中15-10 mm表示齒數(shù)為15、齒高為10 mm的鋸齒尾緣葉片，葉片采用相同高度374 mm。通過調(diào)整齒高和齒數(shù)，可以得到不同參數(shù)的鋸齒尾緣葉片。而前緣波浪結(jié)構(gòu)則是由按正弦函數(shù)y=h1sin(b1x)變化的曲線構(gòu)造而成的，其中h1為波幅，b1為相鄰截面之間的波數(shù)，10-6 mm的前緣波浪結(jié)構(gòu)表示波數(shù)為10、波幅為6 mm。波浪前緣鋸齒尾緣葉片模型如圖2所示。

表2 鋸齒尾緣葉片幾何參數(shù)Tab.2 Geometric parameters of serrated trailing edge blade

圖2 波浪前緣鋸齒尾緣葉片示意圖Fig.2 Schematic diagram of the blade with wave leading edge and serrated trailing edge

2 聲學(xué)計算方法

2.1 噪聲計算

聲壓就是大氣壓受到聲波擾動后產(chǎn)生的變化量。人耳對聲音的感受與聲壓的對數(shù)近似成正比關(guān)系，聲壓用對數(shù)標(biāo)度稱為聲壓級，聲壓級Lp定義為：

(1)

式中：p為實際聲壓，Pa；p0為參考聲壓，也是人耳能聽到的最弱聲壓，為2×10-5Pa。

人耳能聽到的噪聲頻率在20～20 000 Hz，把較寬的頻率范圍劃分為小的分域稱為頻帶。分析噪聲的濾波器能把頻帶中高于上限頻率f2和低于下限頻率f1的訊號過濾掉，f2和f1之間的間隔為頻帶寬，可用倍頻帶表示，n倍頻帶定義見式(2)，當(dāng)n等于1/3時，稱該頻帶寬為1/3倍頻帶。

(2)

頻率計權(quán)是對不同的頻率給予適當(dāng)增減，A頻率計權(quán)與人耳對聲音的主觀反應(yīng)較為相似，A聲級越大，人們聽到的聲音也越響。本文中對風(fēng)機噪聲的分析參數(shù)主要有總聲壓級和A計權(quán)1/3倍頻圖[13]。

根據(jù)聲源處的產(chǎn)生機理，風(fēng)機氣動噪聲可以分為旋轉(zhuǎn)噪聲和湍流噪聲;根據(jù)噪聲頻譜特性,其可以分為離散噪聲和寬頻噪聲[14]。旋轉(zhuǎn)噪聲也稱為離散噪聲，是由旋轉(zhuǎn)葉片打擊空氣質(zhì)點引起葉片周圍聲場壓力突變而產(chǎn)生的噪聲。湍流噪聲也稱寬頻噪聲，主要是流經(jīng)葉片的氣流發(fā)生漩渦分裂脫體，進而引起葉片上壓力脈動產(chǎn)生的噪聲，其聲壓級主要表現(xiàn)在高頻段內(nèi)。

2.2 噪聲計算方法及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在Fluent中進行噪聲計算，風(fēng)機轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，工質(zhì)為理想氣體，進口邊界條件給定質(zhì)量流量33.33 kg/s，出口給定靜壓1.013×105Pa，先采用RNGk-ε模型進行瞬態(tài)求解，待風(fēng)機出口壓力穩(wěn)定后，湍流模型調(diào)整為改進型延遲分離渦模擬(IDDES)，聲學(xué)模塊選用FW-H聲學(xué)類比方程，并輸出Acoustic Source Data聲學(xué)數(shù)據(jù)文件，提取葉片表面聲壓脈動等流場信息，通過傅里葉變換獲得聲場信息。

為保證計算精度，對原葉片設(shè)置3種網(wǎng)格數(shù)量進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，如表3所示，網(wǎng)格數(shù)為780萬和1 508萬的計算結(jié)果總聲壓級僅相差0.3 dB，誤差為0.4%。因此，選取網(wǎng)格數(shù)為780萬的網(wǎng)格進行風(fēng)機噪聲計算。

表3 噪聲網(wǎng)格無關(guān)性驗證Tab.3 Grid independence of noise

2.3 實驗對比

采用分離渦模擬(DES)計算方法對設(shè)計工況下低壓軸流通風(fēng)機噪聲進行計算，該工況下流量系數(shù)為0.179。表4為模擬所得的低壓軸流通風(fēng)機噪聲計算值與實驗值的對比?？梢钥闯?，采用DES噪聲計算方法得到的噪聲計算值與實驗值誤差在2.9%左右，說明本文方法可以很好地模擬軸流通風(fēng)機噪聲值。

表4 低壓軸流通風(fēng)機噪聲計算值與實驗值的對比Tab.4 Comparison of calculation data and experimental results of noise for low pressure axial fan

3 計算結(jié)果與分析

3.1 鋸齒尾緣葉片氣動計算結(jié)果

保持尾緣鋸齒齒數(shù)10不變，通過改變齒高比較尾緣鋸齒葉片通風(fēng)機的氣動性能。圖3為齒高依次從6 mm增加到20 mm的鋸齒尾緣葉片。

圖4給出了齒數(shù)為10的鋸齒尾緣葉片與原葉片通風(fēng)機氣動性能計算結(jié)果對比圖。從圖4可以看出，在本文工況范圍內(nèi)，隨著鋸齒齒高的增加，通風(fēng)機全壓效率逐漸減小，從96.67%降到96.30%，降幅為0.3%；總壓升也呈下降趨勢，通風(fēng)機做功能力減弱。圖中線外的2個單點分別是原葉片通風(fēng)機的全壓效率和總壓升值，可以看出原葉片通風(fēng)機的總壓升最高，說明鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)因葉片切削導(dǎo)致垂直軸向的投影面積縮小，進而影響葉片的做功能力；對比鋸齒尾緣葉片與原葉片的全壓效率可以看出，鋸齒尾緣葉片全壓效率并沒有因總壓升下降而減小太多，齒高在12 mm以下時，鋸齒尾緣葉片全壓效率高于原葉片的全壓效率，這是因為對葉片尾緣施加鋸齒形狀時，實際上減輕了葉片的重量，使得輸出的軸功率減小，因此鋸齒尾緣葉片的全壓效率沒有減小，在一定的齒高下，通風(fēng)機全壓效率還略有提升。

(a) 10-6 mm

(b) 10-8 mm

(c) 10-10 mm

(d) 10-12 mm

(e) 10-15 mm

(f) 10-20 mm圖3 齒數(shù)為10時不同齒高的鋸齒尾緣葉片F(xiàn)ig.3 Serrated trailing edge blades with different tooth heights for the tooth number of 10

圖4 齒數(shù)為10的鋸齒尾緣葉片結(jié)果對比Fig.4 Results of serrated trailing edge blades with the tooth number of 10

3.2 波浪前緣鋸齒尾緣葉片氣動計算結(jié)果

所研究的葉片前緣波浪結(jié)構(gòu)波數(shù)取10，波幅取6 mm。圖5為選取的4種波浪前緣鋸齒尾緣葉片，其中10-8 mm，10-6 mm表示鋸齒齒數(shù)為10、齒高為8 mm和波浪波數(shù)為10、波幅為6 mm的波浪前緣鋸齒尾緣葉片。表5給出了波浪前緣鋸齒尾緣葉片的全壓效率和總壓升計算結(jié)果。由表5可知，在所研究工況范圍內(nèi)，波浪前緣鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機的全壓效率隨著尾緣鋸齒齒高的增加沒有明顯變化，與原葉片全壓效率(96.41%)較為接近，而總壓升則呈下降趨勢，波浪前緣鋸齒尾緣葉片的總壓升高于同樣齒數(shù)同樣齒高的尾緣鋸齒葉片。

圖5 波浪前緣鋸齒尾緣葉片F(xiàn)ig.5 Blades with wave leading edge and serrated trailing edge

表5 波浪前緣鋸齒尾緣葉片計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of blades with wave leading edge and serrated trailing edge

3.3 鋸齒尾緣葉片噪聲計算結(jié)果

圖6給出了齒數(shù)為8時不同齒高的鋸齒尾緣葉片，其噪聲計算結(jié)果如表6所示。由表6可知，齒數(shù)為8的鋸齒尾緣葉片總聲壓級隨著齒高的增加而減小，齒高為10 mm的鋸齒葉片總聲壓級高于原葉片總聲壓級，齒高為15 mm和20 mm的鋸齒葉片總聲壓級低于原葉片總聲壓級，可以看出3種鋸齒尾緣葉片與原葉片總聲壓級接近。結(jié)果表明，對于齒數(shù)為8的鋸齒尾緣葉片，當(dāng)齒高增加到15 mm時有降噪效果但降噪幅度不大，最大可降低0.6 dB，由于齒數(shù)較少時降噪效果不明顯，因此可以增加齒數(shù)來比較鋸齒尾緣葉片的降噪效果。

圖6 齒數(shù)為8時不同齒高的鋸齒尾緣葉片F(xiàn)ig.6 Serrated trailing edge blades with different tooth heights for the tooth number of 8

表6 齒數(shù)為8時通風(fēng)機監(jiān)測位置處的噪聲值Tab.6 Noise values at the fan monitoring positions with the tooth number of 8 dB

鋸齒尾緣葉片齒高保持10 mm不變，選取齒數(shù)為8、13和18的葉片如圖7所示。對比表7可以看出，隨著鋸齒數(shù)的增加，鋸齒尾緣葉片的總聲壓級逐漸減小，與原葉片總聲壓級相比，齒數(shù)為18的鋸齒尾緣葉片降噪幅度最大，達到0.8 dB。通過增加齒數(shù)對比鋸齒尾緣葉片噪聲值，結(jié)果表明在所研究工況范圍內(nèi)，當(dāng)齒高h一致時，隨著齒數(shù)的增加，鋸齒尾緣葉片降噪能力增強。

圖7 齒高為10 mm時不同齒數(shù)的鋸齒尾緣葉片F(xiàn)ig.7 Serrated trailing edge blade with different number of teeth for tooth height of 10 mm

表7 齒高為10 mm時通風(fēng)機監(jiān)測位置處的噪聲值Tab.7 Noise values at the fan monitoring positions with the tooth height of 10 mm dB

表7顯示，3種齒數(shù)鋸齒葉片中，齒數(shù)為18的降噪效果最好，因此，選取齒數(shù)為18的鋸齒尾緣葉片，改變齒高h來計算其噪聲值，計算結(jié)果見表8。從表8可以看出，與原葉片相比，齒數(shù)為18的鋸齒尾緣葉片有明顯降噪效果，當(dāng)齒高為8 mm時總聲壓級可減小2 dB，且隨著齒高的增加，葉片總聲壓級有所增加但都小于原葉片的總聲壓級。

表8 齒數(shù)為18時通風(fēng)機監(jiān)測位置處的噪聲值Tab.8 Noise values at the fan monitoring positions with the tooth number of 18 dB

3.4 波浪前緣鋸齒尾緣葉片噪聲計算結(jié)果

為探究波浪前緣鋸齒尾緣葉片的降噪效果，分別對圖8中原葉片、波浪前緣葉片和波浪前緣鋸齒尾緣葉片進行噪聲計算。表9為3種葉片通風(fēng)機總聲壓級計算結(jié)果?？梢钥闯?，波浪前緣葉片的總聲壓級比原葉片小，證明波浪前緣葉片有降噪能力。在波浪前緣葉片上加上鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)后其噪聲值進一步減小，比原葉片總聲壓級減小4 dB，表明波浪前緣鋸齒尾緣組合的葉片降噪效果更優(yōu)。

圖8 原葉片、波浪前緣葉片和波浪前緣鋸齒尾緣葉片示意圖Fig.8 Schematic diagram of original blade, wave leading edge blade and wave leading edge with serrated trailing edge blade

表9 3種葉片在通風(fēng)機監(jiān)測位置處的噪聲值Tab.9 Noise values of three kinds of blades at the fan monitoring positions dB

圖9給出了不同尾緣鋸齒數(shù)的波浪前緣鋸齒尾緣葉片，葉片前緣形狀不變，通過改變尾緣鋸齒數(shù)探究葉片的降噪效果。表10給出了各葉片的總聲壓級計算結(jié)果?？梢钥闯?，與原葉片相比，波浪前緣鋸齒尾緣葉片的降噪幅度較大，而尾緣齒數(shù)為16的波浪前緣鋸齒尾緣葉片降噪效果最好。

圖9 不同齒數(shù)的波浪前緣鋸齒尾緣葉片F(xiàn)ig.9 Wave leading edge serrated trailing edge blades with different tooth numbers

表10 不同齒數(shù)的波浪前緣鋸齒尾緣葉片的噪聲值Tab.10 Noise values of wave leading edge with serrated trailing edge blades for different tooth numbers dB

3.5 聲壓級頻譜圖與渦結(jié)構(gòu)云圖

鋸齒尾緣葉片測點的聲壓級頻譜圖如圖10所示。從圖10可以看出，原葉片通風(fēng)機與18-8 mm的鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機噪聲峰值均分布在中低頻區(qū)域，在整個頻段區(qū)域內(nèi)鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機的聲壓級與原葉片通風(fēng)機相比有顯著減小。

圖10 鋸齒尾緣葉片測點聲壓級頻譜圖Fig.10 Spectrum of sound pressure levels at measuring points of serrated trailing edge blades

本文葉輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，葉片數(shù)為9，計算得出基準(zhǔn)頻率為216.5 Hz，在圖10頻譜圖中可以觀察到基頻和倍頻中都有波峰出現(xiàn)，且峰值呈逐漸下降趨勢，同時可以發(fā)現(xiàn)在低頻段內(nèi)，軸流通風(fēng)機的噪聲構(gòu)成主要為離散噪聲。從圖11的倍頻圖可以看出噪聲的寬頻特性，圖中某一部分頻率對應(yīng)的幅值越大，代表該部分頻率對A聲級的貢獻也越大，在0～10 000 Hz范圍內(nèi)18-8 mm的鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機A計權(quán)聲壓值比原葉片通風(fēng)機有明顯下降，說明鋸齒尾緣葉片結(jié)構(gòu)改善了通風(fēng)機的寬頻噪聲和離散噪聲。

圖11 鋸齒尾緣葉片測點A計權(quán)1/3倍頻圖Fig.11 Octave diagram at measuring point A weight 1/3 of serrated trailing edge blade

Q準(zhǔn)則[16]能剔除絕大部分的剪切層影響，對葉片周圍流場進行分析，可以較為精確地捕捉流場內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)和渦的大小。圖12給出了Q=50 000 s-2時鋸齒尾緣葉片表面的渦結(jié)構(gòu)云圖。從圖12可以看出，鋸齒結(jié)構(gòu)的存在使得風(fēng)機原葉片尾緣處渦結(jié)構(gòu)破碎成長條狀，導(dǎo)致鋸齒間渦結(jié)構(gòu)的展向相關(guān)性減弱，削弱了尾部的渦結(jié)構(gòu)強度，從而使得鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機總聲壓級較原葉片小，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)顯著改善了通風(fēng)機葉片漩渦分裂脫體產(chǎn)生的渦流噪聲。

(a) 原葉片

(b) 18-8 mm鋸齒尾緣葉片圖12 Q=50 000 s-2時葉片表面的渦結(jié)構(gòu)云圖Fig.12 Contour of blade surface vortex structure at Q=50 000 s-2

比較圖13和圖14給出的原葉片和波浪前緣鋸齒尾緣葉片的頻譜圖和A計權(quán)1/3倍頻圖可以看出，在低頻段波浪前緣鋸齒尾緣葉片的總聲壓級有明顯減小，在1 000～10 000 Hz中高頻段，波浪前緣鋸齒尾緣葉片的總聲壓級大于原葉片的總聲壓級。圖15給出了波浪前緣鋸齒尾緣葉片的功率譜密度圖，反映了聲波輻射能量隨頻率的變化關(guān)系。由圖15可以看出，噪聲輻射能量集中在1 000 Hz以下區(qū)域，該部分噪聲輻射能量對總聲壓級貢獻最大，在低頻段波浪前緣鋸齒尾緣葉片的功率譜密度小于原葉片的功率譜密度，因此波浪前緣鋸齒尾緣葉片的總聲壓級與原葉片通風(fēng)機的總聲壓級相比有顯著減小。

圖13 波浪前緣鋸齒尾緣葉片測點聲壓級頻譜圖Fig.13 Spectrum of sound pressure levels at measuring points of blade with wave leading edge and serrated trailing edge

圖14 波浪前緣鋸齒尾緣葉片A計權(quán)1/3倍頻圖Fig.14 Octave diagram at measuring point A weight 1/3 of blade with wave leading edge and serrated trailing edge

圖15 波浪前緣鋸齒尾緣葉片功率譜密度圖Fig.15 Power spectral density diagram of blade with wave leading edge and serrated trailing edge

4 結(jié) 論

(1) 在所研究工況范圍內(nèi)，與原葉片相比，鋸齒尾緣葉片和波浪前緣鋸齒尾緣葉片的總壓升有所下降，全壓效率改變較小。

(2) 鋸齒尾緣葉片齒數(shù)較少時降噪效果不明顯，齒數(shù)一定時，隨著齒高的增加，噪聲值降低；齒高一定時，隨著齒數(shù)的增加，鋸齒尾緣葉片的總聲壓級逐漸減小；高齒數(shù)的鋸齒尾緣葉片降噪效果更好。

(3) 波浪前緣葉片具有降噪能力，而波浪前緣鋸齒尾緣組合的葉片比單一的鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)或波浪前緣結(jié)構(gòu)的葉片的降噪能力強。

(4) 與原葉片通風(fēng)機相比,鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機在頻譜圖全頻段內(nèi)總聲壓級都有明顯減小，鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)可以改善通風(fēng)機的寬頻噪聲和離散噪聲。在頻譜圖中，低頻段內(nèi)波浪前緣鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機總聲壓級有明顯減小，因低頻段內(nèi)噪聲輻射能量對總聲壓級貢獻最大，所以波浪前緣鋸齒尾緣葉片通風(fēng)機的總聲壓級與原葉片通風(fēng)機相比有顯著減小。表明波浪前緣鋸齒尾緣的組合在軸流通風(fēng)機葉片上的降噪效果比單一的波浪前緣結(jié)構(gòu)或鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)更好。