叶片穿孔对离心风机声学性能的影响研究.pdf

第 卷第 期 年 月机 电 工 程 .收稿日期:基金项目:贵州省科技计划项目(黔科合支撑一般)贵州省科技厅项目(黔科合服企 号)作者简介:陈波()男贵州贵阳人硕士研究生主要从事流体机械流场优化方面的研究:.通信联系人:李家春男博士教授博士生导师:.:./.叶片穿孔对离心风机声学性能的影响研究陈 波李家春何俊杰徐 娇王永涛(.贵州大学 机械工程学院贵州 贵阳.贵州省水利科学研究院贵州 贵阳)摘要:针对离心风机叶片旋转造成风机运行噪声大等问题以叶片表面结构作为研究对象对叶片迎风面结构进行了声学性能仿真模拟分析了叶片穿孔对离心风机声学性能的影响 首先对叶片迎风面进行了穿孔处理并使用 仿真软件探究了不同穿孔形状、不同穿孔直径、不同孔隙率对风机噪声的影响规律然后在叶片内部填充多孔介质材料后讨论了其对风机声学性能的影响最后开展了原始叶片、叶片穿孔、叶片穿孔并填充材料的正交实验通过实验对不同叶片穿孔结构的仿真结果的可靠性进行了验证 仿真结果表明:当穿孔形状为圆形、穿孔直径为.、孔隙率为 时风机噪声降低了.叶片内部填充多孔介质材料后能进一步降低风机噪声相较原始叶片降噪效果提升了.同时风机负压性能提升了 实验结果表明:叶片穿孔并填充材料能使降噪效果提升.风量提升.研究结果表明:对叶片表面结构进行穿孔、内部填充多孔材料的方式能有效降低风机噪声所得结论可为离心风机的降噪处理提供参考关键词:通风机离心风机风机运行噪声穿孔板声学性能多孔介质材料中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言离心风机是依靠电机驱动提高气体压力后输出气体的机械 因为它改变了空气流动的方向因此被广泛用于厨房家电排放油烟建筑物通风、除尘工厂、锅炉的通风、引风等场合离心风机主要包含蜗壳、叶轮等部件 其结构相对简单但是在运转过程中会产生较高的气动噪声随着离心风机的应用场合越来越广泛人们对离心风机的声学性能也提出了更高的要求 叶轮是风机中唯一的旋转部件它影响风机的气动和声学性能因此越来越多的学者对离心风机叶轮噪声来源和降噪技术展开了研究周建华用丝线法对前向多翼离心风机内部流场进行了可视化研究结果表明在叶片出口吸力面侧气流涡旋脱落明显是引起离心风机噪声的主要原因 等人的研究结果表明离心风机的噪声主要来源于叶轮旋转产生的气流与蜗壳壁面摩擦引起的旋转噪声 王加浩等人受鲤科鱼 型启动启发设计了多翼离心风机仿生等厚叶片可视化研究结果表明仿生叶片尾缘脱落涡旋造成的气流不均匀性程度减弱风机气动性能增加噪声减小 赫英歧等人探究了不同叶轮扭曲度对多翼离心风机内流及声学特性的影响结果表明扭曲叶轮会略微降低风机的气动性能但叶轮叶尖涡流减弱降低了涡流噪声焦硕博等人对比了倾斜叶片和直叶片叶轮对风机性能的影响发现倾斜叶片会轻微降低风机流量但是倾斜叶片能减少叶道中的流动分离从而减小风机噪声 等人对比了原始叶轮和叶轮出口直径分别增加 和 的两个较大叶轮的风机通过数值模拟表明叶轮较大的风机存在较多的蜗壳损失 黄进安等人将叶片完全贯穿设计经过设置合理叶片穿孔参数降低了叶片表面的压力脉动 邓敬亮等人对传统风机叶片中的弧线进行了优化使得气流在蜗壳内的流动分离降低减少了因气流紊乱造成的噪声 王梦豪等人采用数值仿真方法研究了仿鸮翼叶片对离心风机噪声的影响上述学者研究结果表明:风机叶片旋转产生的涡旋是噪声主要来源采用仿生设计和改变叶片形状的方法能有效降低噪声但上述学者未对叶片结构进行直接处理未能找到高效降低叶片旋转噪声的方法穿孔板是一种共振吸声结构 当声波传播到小孔时一部分在小孔表面摩擦损耗另一部分进入小孔的声波频率与薄板一致时会引起薄板共振从而被吸收伍宗效等人对风洞导流片穿孔并填充材料使得风洞内气流涡旋削弱减少了气动噪声 等人在蜗壳上铺设消声材料抑制了低频范围内的辐射噪声 付强研究了穿孔板与多孔材料组合对噪学特性的影响结果表明穿孔板和多孔材料组合能够降低低频和中高频噪声基于以上原因笔者采用 数值仿真方法探究离心风机叶片迎风面穿孔对噪声的影响 首先对比叶片不同穿孔形状、穿孔直径和穿孔率的降噪效果获取最佳穿孔参数然后在叶片内部填充吸声材料以期进一步降低噪声最后对叶片不同穿孔结构的仿真结果进行验证实验笔者希望所得结论可为离心风机降噪技术提供参考 气动声学设置.模型设计笔者以双圆弧型叶片离心风机为研究对象离心风机尺寸参数如表 所示表 离心风机具体参数参数/单位数值转速/(/)叶片数/个叶轮宽度/叶轮外径/叶轮内径/直径比/.蜗壳宽度/笔者使用三维建模软件 建立多翼离心风机模型如图 所示图 离心风机三维模型图 中叶轮叶片为双圆弧形内部空心为减少模型无关结构对计算资源的浪费笔者对结构进行了部分简化同时延长了模型进出风区域避免气流回流对计算结果造成影响为探究穿孔和填充多孔介质材料对离心风机声学性能的影响笔者对叶片迎风面板进行小孔贯穿为避免负压将内部的多孔材料吸出背风面板不穿孔穿孔板结构如图 所示笔者进行圆形、矩形、三角形形状切割为控制变量笔者设置孔边距为、孔间距为、不同穿孔时的孔边距、和孔间距、保持一致 笔者在切割时设置圆孔直径为.穿孔面积为 调整矩形和三角形的边长 保证各切割形状的面积 一致叶片穿孔结构模型如图 所示机 电 工 程第 卷图 穿孔板结构图 叶片穿孔结构.网格划分对三维模型抽取内部流体计算域如图 所示图 流体计算域笔者分别对上诉几何模型使用 进行网格划分 为保证网格划分质量将模型分为旋转域和静止域两个部分 其中旋转域包含叶轮所在区域静止域包括进气管和蜗壳由于叶片上有微小穿孔为保证网格质量笔者需要对网格进行局部细化叶片内部网格划分结果如图 所示由图 可知:叶片内部网格均匀变化检查网格质量()为.正交比()为图 叶片间网格质量.倾斜度()为.说明网格质量良好笔者对静止域和旋转域网格进行单独划分设置旋转域网格大小为 并对网格进行邻近性和曲率捕获 静止域网格在数值模拟中不需要太精细笔者对网格进行无关性检查在保持其他条件不变的情况下成比例地改变网格数量并观察不同网格数量下的仿真结果 通常认为仿真结果的误差在 之间网格对结果的影响在可接受的范围内为节约计算资源笔者取中等网格数量因此设置静止域网格大小为 原始模型网格数量为 矩形穿孔叶片、圆形穿孔叶片、三角穿孔叶片网格数量分别为 、网格划分结果如图 所示图 网格划分结果.声学控制方法 方程本质上是非齐次波动方程可以由连续性方程、运动方程和物态方程进行推导)连续性方程方程表达式为:()()()()式中:()为气流密度 为时间为空气静态密度()为气流质点速度()为流过叶轮叶片的气流质量)运动方程方程表达式为:()()()式中:为梯度算子第 期陈 波等:叶片穿孔对离心风机声学性能的影响研究其中:)物态方程方程表达式为:()()()式中:为纵波传播速度由式()式()导出声波的波动方程如下:()()()().求解设置此处笔者采用基于压力法的求解器并使用瞬态控制 由于离心风机为旋转流动模型因此湍流计算模型选用 中的 模型设置叶轮所在旋转域为 转速为 /笔者设置进出口边界条件为压力进出口边界进出口表压为一个标准大气压同时将叶片所在的壁面设置为 ()将静止域壁面均设置为 并采用 边界条件连接旋转域和静止域的相交面笔者在 计算模型库中启用声学 模型定义声源区域为叶轮旋转域和蜗壳壁面根据/风机和罗茨鼓风机噪声测量方法当测量风机进、出口噪声时若叶轮直径小于 取测量直径为 若叶轮直径大于 则取测量直径为叶轮直径 由于笔者所选风机叶轮直径为.故取测量直径为 噪声检测点布置示意图如图 所示图 噪声检测点布置示意图笔者在图 点 所示区域建立 个检测点用于检测噪声笔者采用 算法作为计算方法设置迭代计算的物理量残差为.迭代次数为 步最大循环迭代次数为 次由式()计算出时间步长为.叶轮旋转 圈当迭代曲线呈周期性波动时通常认为离心风机流场基本实现稳定流动说明迭代已经达到收敛状态时间步长表达式如下:()式中:为叶片的数量 为叶轮的转速 为最大循环迭代次数 叶片穿孔声学特性分析.叶片不同穿孔形状离心风机叶片不同穿孔形状的声压频谱图如图 所示图 叶片不同穿孔形状由图 可知:系统噪声整体趋势表现为随着频率的升高而不断降低低频段()噪声降低速度较快在中频段()和高频段()噪声降低速度逐渐缓慢并伴随有局部噪声增加现象对比图 中不同穿孔形状叶片的噪声随频率的变化可以看出:在低频段时不同穿孔形状对噪声的影响很小与未穿孔时基本重合随着频率的上升则呈现出不同变化 其中穿孔叶片在整个频率范围内除局部频率段外其噪声值均低于原始叶片的噪声值说明叶片穿孔对降低离心风机的噪声有着积极的作用能有效破碎叶片间的涡旋进而降低噪声 而穿孔叶片的降噪效果随着穿孔形状的不同而表现不同降噪效果按从好到差依次为圆形穿孔叶片、矩形穿孔叶片、三角穿孔叶片、原始叶片 噪声平均值为.、.、.、.综上采用圆形穿孔叶片可有效降低噪声平均降低噪声.降噪效果提升 叶片不同穿孔形状压力云图如图 所示由图 可知:不同穿孔形状的叶轮压力分布总体类似均在叶轮中心产生负压其余位置随着叶轮转动压力逐渐增大 但原始叶片在叶轮上端和叶轮下端均出现压力集中且叶轮中心压力集中区域较大而矩形穿孔叶片虽然减小了叶轮中心的压力集中区域消除了叶轮下端的压力集中但使叶轮上端出现机 电 工 程第 卷图 叶片不同穿孔形状压力云图了更为显著的压力集中导致负压性能提升仅为.圆形穿孔叶片的叶轮中心压力分布均匀整个叶轮区域无明显应力集中区域减小了压力损失负压性能提升了.三角穿孔叶片在叶轮中心仍有明显应力集中甚至在蜗舌处产生了应力集中导致负压性能没有提升叶片不同穿孔形状压力和速度变化如表 所示表 叶片不同穿孔形状压力和速度变化表模型最大压力减少量/最大压力增加量/最大速度/(/)原始叶片.矩形穿孔叶片.圆形穿孔叶片.三角穿孔叶片.叶片不同穿孔形状流动迹线如图 所示图 叶片不同穿孔形状流动迹线由表 和图 可知:原始叶片在叶轮下方产生了大尺度尾缘脱落涡叶片压力面与吸力面之间形成了较多叶间回流涡导致负压性能变差、气流速度较低矩形穿孔叶片在叶片间仍存在多个回流涡虽然下方的涡尺度小于原始叶片但漩涡数量增加导致负压性能仅提升了.而气流速度较原始叶片下降了圆形穿孔叶片下方虽然仍存在脱落涡但是叶片上的圆孔结构使得叶片间回流涡数量显著减少因此叶轮中心的压力分布均匀且负压性能提升了.气流速度较原始叶片提升了 三角穿孔叶片的三第 期陈 波等:叶片穿孔对离心风机声学性能的影响研究角孔使得脱落涡尺度减小速度提升了.但其叶片间的回流涡仍然存在因此负压性能没有提升.叶片不同穿孔直径由前文的仿真结果可知圆形穿孔叶片的降噪效果最好 现笔者探究穿孔直径为.、.、.时圆形叶片的降噪效果(为避免减弱叶片的结构强度穿孔直径不宜过大)叶片不同穿孔直径的声压频谱图如图 所示图 叶片不同穿孔直径由图 可知:不同穿孔直径时噪声随频率的变化不同但整体仍呈现为随频率增加噪声值降低的趋势叶片不同穿孔直径噪声值统计如表 所示表 叶片不同穿孔直径噪声值穿孔直径/噪声最大值/噪声最小值/噪声平均值/噪声偏差/.由表 可知:当穿孔直径为.时风机的噪声峰值、噪声最小值最低且噪声平均值也低于其余二者同时穿孔直径为.时叶片的噪声偏差系数值最大说明在不同频率下其对风机噪声影响最明显综上可知穿孔直径为.的叶片降噪效果最佳.叶片不同孔隙率由前文的仿真结果可知:穿孔直径为.的叶片降噪效果最好 现笔者探究叶片上不同面积孔隙率的降噪效果采用、的孔隙率进行对比叶片不同孔隙率的声压频谱图如图 所示由图 可知:不同孔隙率时噪声值随频率的变化不同但整体也呈现出随频率增加噪声值降低的趋势叶片不同孔隙率噪声值统计如表 所示图 叶片不同孔隙率表 叶片不同孔隙率噪声值孔隙率/噪声最大值/噪声最小值/噪声平均值/噪声偏差/.由表 可知:当孔隙率为 时风机的噪声峰值、噪声最小值最低且噪声平均值也低于其余二者同时孔隙率为 的叶片噪声偏差系数值最大说明在不同频率下其对风机噪声影响最明显 综上孔隙率为 的叶片降噪效果最好仿真结果表明:当叶片穿孔图形为圆形、穿孔直径为.、孔隙率为 时相较于原始叶片风机降噪性能提升了.填充多孔介质材料声学特性分析.多孔介质动量方程在流体计算中对于多孔介质区域的模拟通常是在标准流动方程中加入动量源项 将多孔区域简化为增加了阻力源的流体区域其表达形式下:()()式中:为指定的矩阵 为动力黏度 为流入介质的密度 为流动速度为第()方向的速度对于均匀多孔介质式()可简化为:()式中:为渗透率为黏性阻力系数为惯性阻力系数为第()方向的速度.求解设置为更好地降低噪声笔者在叶片内部填充多孔介机 电 工 程第 卷质材料多孔介质材料选用具有良好声学和力学性能的玻璃纤维棉笔者在 中启用多孔介质 命令模拟填充多孔介质材料后的效果设置叶片内部为多孔介质区域气流在区域内的通过方式为 设置黏性阻力系数为.惯性阻力系数为 添加多孔介质材料后风机的声压频谱图如图 所示图 穿孔并填充多孔介质材料由图 可知:穿孔并填充多孔材料后风机噪声在各个频段均有降低优于原始叶片根据数据统计原始叶片的噪声平均值为.穿孔并填充材料叶片的噪声平均值为.平均降低噪声.降噪效果提升了.这是因为玻璃纤维棉是纤维结构内部有许多相互贯穿的孔洞和微小间隙并与表面连通在声波作用下孔洞和缝隙内的空气及多孔材料中的细小纤维发生振动、产生热量从而消耗声能因此添加玻璃纤维棉后的降噪效果在整个频带范围内都有明显提高.气动性能耦合分析为验证叶片内部填充多孔材料后对风机气动性能的影响笔者使用 进行仿真计算 设置穿孔图案为圆形穿孔直径为.穿孔率为 穿孔并填充材料叶片仿真云图如图 所示由图 可知:穿孔并填充材料后风机的最大压力增加量为.最大压力减小量为.最大速度为./对比图 仅圆形穿孔时负压性能降低了.这是因为填充多孔材料后多孔材料对叶片内气流的流动有着阻碍作用对比原始叶片由图()可以看出:填充材料后叶轮下方的脱落涡仍存在但叶片间的回流涡减少减少图 穿孔并填充材料叶片仿真云图了气流损耗因此负压性能提升了速度提升了综上可知叶片穿孔并填充多孔材料不仅能提升风机的气动性能而且对风机噪声有着良好的吸收效果 实验与结果分析.实验方法为验证仿真结果的可靠性笔者开展原始叶片、叶片穿孔、叶片穿孔并填充材料的正交实验研究笔者设置不同穿孔类型和填充材料作为变量噪声值作为实验目标其余条件保持不变叶片不同穿孔形状实物如图 所示图 叶片不同穿孔形状实物图同时笔者需要确定测试点和测试环境 根据/风机和罗茨鼓风机噪声测量方法测试点经过叶轮几何中心距离壳体 测试环境需要保证相对安静并且尽可能降低环境噪声测试点布置示意图如图 所示实验方案和步骤如下:)安装测试设备 在测试点处安装声级计等测试设备并确保测试设备的位置稳定 同时尽量减小第 期陈 波等:叶片穿孔对离心风机声学性能的影响研究图 单吸入离心风机测试点位置被测风机振动产生的噪声以及地面和其他物体的反射声将电动机噪声视为背景声以保证测量的准确性)进行预测试 在正式测试之前进行预测试以检查测试设备是否正常工作并确定测试环境是否符合要求声级计的传声器应指向声源测量者应侧向声源)进行正式测试 风机运行时使用声级计等测试设备测量噪声水平 应进行多次测试同时根据/对声级计的读数作背景噪声修正后的值以获得更准确的测试结果笔者将大连某特种风机有限公司布置为实验地点在对风机进行噪声实验的同时根据/工业通风机用标准化风道性能试验对风机的气动性能进行测试 测试平台采用沈阳鼓风机研究所研制的风机自动测试系统该系统对气动和噪声特性的测试精度能达到小数点后 位测试平台如图 所示图 测试平台.叶片不同穿孔形状实验接下来笔者开展离心风机叶片原始、矩形、圆形和三角穿孔形状的风量和降噪效果正交实验叶片不同穿孔形状实验结果如表 所示表 叶片不同穿孔形状实验穿孔形状风量/(/)噪声值/原始叶片.矩形穿孔.圆形穿孔.三角穿孔.由表 可知:实际各叶片的噪声初始值高于仿真叶片初始值这是因为实际环境总存在一定噪声无法完全消除从表 中可以看出:圆形穿孔叶片相较其余穿孔叶片降噪.效果最明显风量提升了.这是因为圆形穿孔使得叶间回流涡数量减少因此气流损耗减少.叶片不同穿孔直径实验笔者开展离心风机圆形穿孔叶片穿孔直径的风量和降噪效果正交实验叶片穿孔直径实验结果如表 所示表 叶片穿孔直径实验穿孔直径/风量/(/)噪声值/.由表 可知:当叶片穿孔直径为.时降噪效果提升了.风量提升了 说明改变穿孔直径并不能显著提升降噪效果但能提升风机的气动性能.叶片不同孔隙率实验在圆形穿孔叶片和穿孔直径为.的基础上笔者开展叶片穿孔率为、的正交实验叶片穿孔率实验结果如表 所示表 叶片穿孔率实验穿孔率风量/(/)噪声值/.由表 可知:当叶片穿孔率为 时降噪效果提升了.风量提升了.说明穿孔率对风机降噪性能影响不大但可以提升其气动性能.叶片穿孔并填充材料实验在叶片穿孔形状为圆形、穿孔直径为.和孔隙率为、内部填充玻璃纤维多孔介质材料的基础上笔者开展原始叶片、叶片穿孔、叶片穿孔并填充材料的风量和降噪效果正交实验叶片穿孔并填充材料实验结果如表 所示机 电 工 程第 卷表 叶片穿孔并填充材料实验类型风量/(/)噪声值/原始叶片.叶片穿孔.叶片穿孔并填充材料.由表 可知:叶片填充材料相较于叶片仅穿孔风机的风量降低了 这是因为叶片填充材料后空气进入叶片内部后互相摩擦损耗引起玻璃纤维的振动和摩擦导致风量降低但降噪效果提升了 叶片填充材料相较于原始叶片可降低噪声.降噪效果提升了.同时风量提升了.以上结果说明:对叶片穿孔并填充多孔介质材料在降低噪声的同时能有效提升风机风量 结束语笔者使用 数值模拟方法对离心风机叶片不同穿孔形状、穿孔直径、穿孔率的声学性能进行了模拟并研究了叶片内部填充多孔介质材料后的声学性能编号最后开展了相关验证实验验证了仿真结果的可靠性研究结果如下:)对叶片穿孔形状进行对比可知不同穿孔形状均能提升风机的降噪性能其中圆形穿孔形状降噪性能最佳且能显著提升风机负压性能经过对穿孔直径为.、.、.的圆形穿孔进行对比穿孔直径为.时降噪性能最佳对叶片、的穿孔孔隙率进行对比发现的孔隙率降噪效果最佳)由仿真模拟结果可知在穿孔直径为.、穿孔率为 的圆形穿孔叶片内部填充多孔介质材料能有效地降低风机的中高频噪声相较原始叶片平均降低噪声.降噪效果提升了.同时叶片穿孔可提升风机负压性能)根据实验结果可知叶片穿孔并填充材料相较于原始叶片可降低噪声.降噪效果提升了.同时风量提升了.在接下来的工作中笔者将为叶片填充不同流阻率的多孔介质材料探讨其对气动声学特性的影响参考文献():周建华.前向多翼风机内部流场的可视化研究.风机技术():.():.:():.():.王加浩乔 洋田晨晔等.仿鲤科鱼 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