仿生降噪蜗舌试验研究与数值模拟分析

摘要：利用逆向工程方法,提取长耳鸮翼表面形态与构型降噪特征元素,设计仿生降噪蜗舌。将仿生降噪蜗舌应用于离心风机气流噪声控制,通过对比试验研究,在整个频段的总声压级LA均低于原型风机,声压级平均降低2.3dB;影响仿生蜗舌降噪效果的主次因素为：仿生形态单元间距t、仿生形态单元个数n、仿生形态单元高度h。基于计算气动声学原理的数值模拟分析表明,仿生系统降噪机理主要为：减小了气流对蜗舌的冲击,使蜗舌表面紊流附面层压力脉动减弱并延缓蜗舌后部涡流分离脱落;使从风机叶轮流出的脉动气流在流经仿生蜗舌表面时,流速分布较为均匀,速度突变较少,气流稳定性的增强有利于降低气流噪声的产生。     

离心风机噪声源的试验研究

本文对离心风机中所产生的气动噪声进行了试验研究,通过对两种不同的风机设计了不向的试验件,对蜗舌形状、机壳形状、叶轮叶片型线、叶片数等的组合进行气动噪声试验,并进行了分析研究,作出了合理的解释,并进一步提出了就如何降低离心风机噪声的方法。     

采用流场分析对离心风机的噪声控制

为了降低离心风机的噪声,以某径向叶片离心风机为对象,利用Fluent软件对其内部流场与压力场进行了建模与计算,通过对计算结果的频域分析,确定了蜗舌为主要噪声源。对蜗舌结构进行了改进并重新计算。对比前后的计算结果,显示了改进后的风机在蜗舌及出口处的A计权声压级比原型机分别降低了6.1 d B和1.9 d B。由此证实,通过改变蜗舌间隙和倾角参数能有效降低离心风机的噪声源强度。     

蜗舌型式对离心通风机气动激励的影响分析

蜗舌是离心通风机重要部位之一,为研究蜗舌型式对离心通风机振动噪声的影响,本文对某型离心通风机进行气动激励的计算仿真。通过定常计算,发现蜗舌结构型式的改进能够改善局部区域的漩涡,减小诱发振动的激励因素;通过非定常计算,发现蜗舌结构型式的改进对离心通风机气动激励的影响主要体现在局部区域压力脉动的改善,尤其是叶轮出口气流激发的叶频脉动的降低。根据计算分析结果对通风机振动噪声变化进行了预估,试验结果表明,蜗舌结构的改进能够降低通风机振动噪声,气动激励数值分析可为通风机低噪声改进效果提供判断依据。     

蜗舌型式对离心通风机气动激励的影响分析

蜗舌是离心通风机重要部位之一,为研究蜗舌型式对离心通风机振动噪声的影响,本文对某型离心通风机进行气动激励的计算仿真。通过定常计算,发现蜗舌结构型式的改进能够改善局部区域的漩涡,减小诱发振动的激励因素;通过非定常计算,发现蜗舌结构型式的改进对离心通风机气动激励的影响主要体现在局部区域压力脉动的改善,尤其是叶轮出口气流激发的叶频脉动的降低。根据计算分析结果对通风机振动噪声变化进行了预估,试验结果表明,蜗舌结构的改进能够降低通风机振动噪声,气动激励数值分析可为通风机低噪声改进效果提供判断依据。     

小型高速离心风机气动噪声数值模拟方法研究

针对载人航天飞行任务中环控生保系统对于空间噪声控制的要求,以某型号小型高速离心风机为研究对象,分析气动噪声产生机理,构建三维模型,运用ANSYS Fluent 软件,采用RNGκ-ε 模型、DES模型、LES模型进行瞬态数值仿真计算。对离心风机进行噪声试验研究,根据离心风机在轨实际工况,得到不同含氧率下的气动噪声分布情况。研究结果表明：气动噪声的噪声源主要位于风机蜗壳及蜗舌处。LES模型与试验结果吻合最好。工作在纯氧下的离心风机比空气下噪声高约1.81 %。文中所得结果可以用于载人航天上行风机设备的噪声仿真及地面试验,为小型高速离心风机降噪设计提供参考依据。     

倾斜蜗舌对多翼离心风机流场及噪声的影响

利用Fluent软件对常规直蜗舌多翼离心风机与倾斜蜗舌多翼离心风机进行流场和噪声的数值模拟研究。研究结果表明：倾斜蜗舌对多翼离心风机速度场的影响主要集中在蜗舌区域,对其它区域影响较小。倾斜蜗舌减小蜗舌区域的速度,同时改变蜗舌表面的流体速度矢量,减小蜗舌区域的局部旋流。在相同转速下,多翼离心式风机采用倾斜蜗舌结构虽然流量降低5.67 %,但是叶轮的功率降低9.13 %,噪声也降低12.2 dB,降低能耗和噪声效果都比较显著。     

蜗舌间隙对空调用贯流风机性能及噪声的影响

利用CFD软件FLUENT6．2和自行研发的“空调用贯流风机参数化建模软件”,分别对蜗舌间隙为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm五种情况下的贯流风机进行实体建模和网格划分,并对内流场和气动噪声进行数值模拟,研究蜗舌间隙变化对贯流风机流量和噪声的影响,以优化设计参数,提高风机性能。     

轴流风机旋转叶片的气动噪声分析

针对某型轴流风机引起的气动噪声问题,建立该型轴流风机的三维模型,利用Lighthill声类比理论、FW-H声波波动方程和Fluent数值模拟,分析该轴流风机旋转叶片引起的气动噪声的噪声特性。数值模拟结果表明,旋转叶片上的静态压力主要集中在旋转方向前方的叶面上;而脉动压力则在叶片的两个面上均有分布,分布区域主要集中在叶片的外缘,这是由于叶片外缘脱落的旋涡引起的剧烈的气流震荡所导致。叶片上的气动噪声功率主要分布在叶片的外缘,其分布规律与脉动压力的分布规律有差异,表明旋转叶片的气动噪声并不完全由脉动压力产生。旋转叶片所诱发的气动噪声随着叶片转速和风机直径的增大而增大。     

基于前缘锯齿形叶片的多翼离心风机数值分析与实验研究

为减少叶片附近的涡流,降低多翼离心风机流场的流动损失和气动噪声,设计了一种具有锯齿形前缘的空调器用离心风机叶片。与常见改型叶片不同,并未从整个叶片宽度方向进行改进,仅从叶轮前盘沿叶片前缘的1/3叶轮宽度处开设锯齿结构。基于几何相似原理和FLUENT软件,对计算得出的不同锯齿结构进行数值模拟,结果显示:锯齿结构主要对聚集在靠近前盘的涡流进行破坏,蜗舌、叶片后缘和叶间涡流较原型叶片也明显减少,且降低了基频噪声。结果表明:在不同转速下,前缘锯齿形叶片多翼离心风机的整机风量较原型机基本不变,噪声值降低0.9～1.2 dB(A),输入功率降低2.75～3.55 W。说明具有锯齿形前缘结构的叶片,不仅能优化风机的风道性能,还能起到节能降噪的作用。     

压缩机吸气消声器气动噪声辐射特性研究

以某变频压缩机吸气消声器为研究对象,在不同压缩机转速下,研究消声器内流场气动噪声辐射特性。通过仿真分析消声器内部流场和声场,采用FW-H声学模型计算其声场参数,获得噪声源数据,计算气动噪声辐射特性,并与整机测试结果进行对比分析。结果表明,吸气消声器噪声源强度从入口至出口沿气流方向逐渐增大,主要噪声源位于出口附近;随转速增加,噪声源强度逐渐增大;出口和入口的声压级都随转速上升而增大,且声压级的最大值所在频段随转速上升逐渐向高频移动;相同转速下,出口处的声压级高于入口处;消声器气动噪声表现为一种宽频噪声,主要集中于400 Hz至6 000 Hz频段内,吸气消声器气动噪声对压缩机整机噪声影响较大。     

多翼离心风机气动噪声计算与降噪设计研究

以船用空调通风系统中多翼离心式风机为对象,建立风机内部流体三维建模,采用CFD软件进行稳态与非稳态计算。将得到的风机内部流场结果导入LMS Virtual. Lab声学软件中进行噪声预估,同时与实验结果对比,验证风机气动噪声计算的准确性。根据分析得知,风机气动噪声主要噪声源位于叶轮处并且与其内部流场分布和自身结构密切相关。对于已经投入生产的风机,很难对其主要结构包括蜗壳、叶轮、叶片尺寸等进行改造,只能对其局部结构进行二次设计以实现降噪的目的。探索采用叶片穿孔设计,通过设置合理穿孔参数,在不改变其性能条件下,减少叶片周围涡流脱落进而使得叶片表面压力脉动降低,达到降低风机气动噪声的目的。     

基于转静干涉效应的压气机叶片气动载荷分析

转静叶排的相互作用会使压气机内部流场存在复杂的非定常性。为深入研究压气机叶片的气动载荷特性,以某型航空发动机压气机为研究对象,考虑叶排间的转静干涉效应,利用滑移网格技术对整个叶盘的三维流场展开模拟,求解干涉周期T_b内压气机转子内部的流动规律。同时对叶片气动载荷的非定常特性进行进一步分析,讨论了不同压比、转速对压气机叶片气动载荷的影响。结果表明叶片压力面和吸力面气动载荷波动峰值的主导频率皆为转静干涉频率f₀的倍频,其中一倍频（1×f₀）分量占主导地位。在干涉周期T_b内,叶片表面压力涡发生周期性的迁移与耗散,压力面和吸力面气动载荷的变化呈相反趋势。随着压比的增加,压气机叶片气动载荷逐渐增大,但其脉动幅值和频谱峰值基本不变。转速的升高使得转静干涉的频率增大,增强了压气机叶片气动载荷的非定常特性。研究结果能够应用于叶盘结构的气动优化设计,可为高性能航空发动机压气机的研制提供支持和参考。     

空调离心叶轮尾流噪声的数值预估

由于现有的计算技术限制,风机气动噪声的数值预估是非常困难的。对于单个离心叶轮,已知其最主要的气动噪声源是叶片尾缘涡脱落导致的叶片表面压力脉动。基于Lee(1993)的轴流风机尾流噪声模型,提出一种可适用于离心叶轮尾流噪声数值预估方法。它包括三项主要工作:首先利用商用CFD软件Fluent对叶轮内的三维流场进行了数值模拟,并对所得气动性能进行实验验证;然后对叶片尾缘附近的速度剖面进行分析,提取出吸力面和压力面两侧的边界层厚度;最后,根据改进的噪声预估模型对叶轮的总声压级进行数值预估,在设计工况附近所得结果与实验值相比误差小于3dB。     

Influence of the shape of the blade tip on the emitted noise in the air-gap between the rotor and the housing of an axial fan

The paper presents influence of the rotor blade tip shape of an axial fan on the emitted noise and on its aerodynamic characteristic. Appropriate measurements were first performed on the integral level of the same rotor with the two blade tip shapes: blade tip configuration A where the blade tip has the form of the prolonged basic blade, and configuration B with the winglet where the tip was slightly pushed towards the suction side of the blade. Moreover results of local pressure and sound pressure measurements in the area of the air gap made possible detailed analysis of the avarage pressure distribution and its time variance. The results showed strong dependence of the blade tip design on the emitted noise distribution, whereas changes of the aerodynamic characteristic with both tip designs were hardly noticed. The correlation between the emitted sound power level of the fan and the air pressure variance enabled to locate mechanism and origin of the noise generation in the zone between two consecutive rotor blades.     

变流器气动噪声分析与噪声控制研究

为控制某型号变流器噪声,文章对该变流器产品开展柜体内气动噪声仿真研究,并与试验结果对标,验证仿真方法可靠性,并协助进一步诊断噪声问题。仿真研究结果表明:机柜内部气动噪声源主要集中在风机附近区域,由风机叶片旋转引起的离散声源。风机噪声频谱在叶片通过频率及其他谐频出现明显峰值。文中对不同降噪方案进行仿真分析,对比了不同材料及不同厚度方案的降噪效果,并通过试验进行了验证。结果表明,使用吸声材料方案使出口总声压级降低 12.2 dB(A)。仿真分析法的降噪优化量与试验结果相近,该方法可应用于后续新产品的降噪设计。     

叶型改进对离心通风机内部气动激励影响机理的数值分析研究

叶片是离心通风机核心部件,为研究叶型改进对离心通风机振动的影响,对某型离心通风机进行气动激励的仿真计算;通过定常计算,发现叶型改进能够推迟流动分离,减小诱发振动的激励因素;通过非定常计算,发现叶型改进对离心通风机气动激励的影响主要体现在压力脉动的改善,尤其是叶频脉动的降低;用计算分析结果对通风机振动变化进行预估,样机试验结果表明,叶型改进能够降低叶频振动,同时也表明气动激励分析可为通风机低噪声改进效果提供判断依据。     

叶片厚度对旋涡风机叶片噪声的影响分析

利用三维CFD模型对旋涡风机内部流场进行模拟分析,获得叶片表面的压力脉动信息,以叶片表面压力流场作为气动声源,通过求解FW-H方程,计算了叶片产生的远场气动噪声;并以叶片表面的压力脉动信号作为激励源,计算了叶片振动产生的噪声。计算结果表明叶片厚度在1 mm到4 mm的范围,其气动噪声基本保持不变,结构噪声随叶片厚度减小而大幅增加,进一步分析得出叶片产生的噪声以气动噪声为主,结构噪声基本可以忽略。