基于混合CAA技术的吸油烟机平台对噪声辐射能力的影响研究.pdf

Articles论文16 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422基于混合CAA技术的吸油烟机平台对噪声辐射能力的影响研究Study on the infl uence of range hood platform on noise radiation ability based on mixed CAA technology贾铌 王子轩 张莹 JIA Ni WANG Zixuan ZHANG Ying珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070摘 要：近年来，为了抵抗高层建筑风道阻力，大风量、大风压成为吸油烟机开发的重点方向。为了在吸油烟机国标噪声限值下设计出大风量、大风压的吸油烟机产品，需要对吸油烟机的降噪技术进行研究。运用混合CAA方法，通过Fluent流体仿真结合Actran声辐射仿真，以同一风机、同风量、不同吸油烟机平台下的流场数据作为噪声源，模拟出全自由声场下四个方向的噪声监测点监测到的平均声功率级值，得出了同风量、同风机下T型吸油烟机平台比7字型吸油烟机平台声功率级高2 dB左右的结论，说明不同的吸油烟机平台对声音的辐射效果不同，为后续大风量、大风压吸油烟机的降噪设计提供新的方向。关键词：吸油烟机平台；降噪分析；仿真研究；声辐射Abstract:In recent years,in order to resist the air duct resistance of tall buildings,large air volume and high air pressure have become a key direction in the development of range hood.In order to design a range hood product with large air volume and high air pressure under the national standard noise limit,it is necessary to study the noise reduction technology of range hood.By using the hybrid CAA method,Fluent fl uid simulation combined with Actran sound radiation simulation,the fl ow fi eld data under the same fan,same air volume and diff erent range hood platforms were used as noise sources to simulate the average sound power levels detected by noise monitoring points in four directions under the full free sound fi eld.It is concluded that the sound power level of T-type range hood platform under the same air volume and the same fan is about 2 dB higher than that of 7-type range hood platform,indicating that diff erent range hood platforms have diff erent radiation eff ects on sound,which provides a new direction for the noise reduction design of range hood with large air volume and pressure.Keywords:Range hood platform;Noise reduction analysis;Simulation study;Acoustic radiation 中图分类号：TM925.57 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0010 引言吸油烟机作为一种家用厨房电器，在我国城镇居民家庭中的普及率相当高。为了抵抗高层建筑风道阻力，越来越多的吸油烟机厂家开始推出大风量、大风压的吸油烟机产品。为了研发出更大风量和风压的吸油烟机产品，需要对吸油烟机的降噪技术进行研究。目前，针对吸油烟机的降噪研究主要有两个方向：（1）对吸油烟机内部的风机系统如叶轮、蜗舌、止回阀、集流器等结构以及机壳至风机吸风口之间的风道进行优化设计，通过提高风机效率、降低风道内部的流动作者简介：贾铌，硕士学位。研究方向：家电产品流体仿真及降噪研究。地址：广东省珠海市香洲区前山金鸡西路789号家电技术研究二院。E-mail:。损失来提效降噪1-4；（2）运用被动降噪方法对蜗壳围板、风柜内壁等地方进行吸声设计5-6。这些方法主要是通过降低风机源头的噪声或者通过穿孔板、隔音棉等被动方法减少声音的传递进行吸油烟机的降噪，但是未见到通过改变吸油烟机平台，即改变吸油烟机的外观款式来达到降噪目的的相关研究。黄朴等7针对吸油烟机在国标及用户体验两种不同条件下噪声具有较大差异的问题，采用瞬态CFD方法求解吸油烟机内部流场分布，基于Actran提取瞬态流场信息后计算噪声的远场传播，通过此研究可以知道同吸油烟机平台在不同Articles论文 17家电科技 Vol.3 2023 Issue 422使用环境下监测到的噪声值有一定的差异。姜鸿等8基于混合CAA（Computational Aeroacoustics）方法对某型号吸油烟机的气动噪声进行了数值模拟研究，得到了吸油烟机噪声传播指向特性，指出吸油烟机噪声主要为中低频噪声，且以离散噪声为主。在叶片通过频率下，吸油烟机噪声具有明显的指向性特征，噪声主要由吸油烟机内离心风机主次进风口向外部传播。本研究基于现有研究未针对吸油烟机平台机壳结构对声音传播特性进行分析的现状，运用混合CAA方法，以同叶轮、同风量下的叶轮旋转交界面作为面声源，针对T型、7字型两种吸油烟机平台的噪声辐射特性进行研究，为后续吸油烟机的降噪设计提供新的研究方向。1 仿真方法介绍及模型验证1.1 混和 CAA 方法介绍混合CAA方法（CAA即Computational Aeroacoustics）是计算气动声学中一种用数值模拟分析气动声学的方法，其需要分别计算瞬态流场以及声传播过程，通过提取核心区域物体边界或者包络面上的声源项，通过Lighthill声类比方法得到声学张量，并带入FW-H（Ffowcs Williams&Hawkings）方程计算远场噪声；另一种仿真分析方法是直接CAA法，直接CAA法的流场和声场是同步计算出来的，可以通过涡声理论建立传声器测点与噪声源之间的传递函数，实现噪声源定位以及可视化，但由于其求解时需要大规模并行求解，导致软件和硬件计算成本远高于混合CAA法，使得很难在实际工程研究中被应用9。基于上述原因，本研究选择混合CAA方法作为研究吸油烟机声音辐射的数值仿真方法。关于本研究混合CAA法的分析流程如图1所示。图1 混合CAA法计算流程1.2 仿真模型验证1.21 对标机型介绍及实测数据本研究选择一款欧式T型吸油烟机和一款侧吸式吸油烟机进行仿真实测对标，吸油烟机模型如图2和图3所示。两款吸油烟机风量和噪声测试都依据现行国标GB/T 17713201110中提及的方法进行，两款吸油烟机爆炒档、高档、低档的实测数据如表1所示。整机进行噪声测试时，四个传声器的位置相对吸油烟机的俯视图如图4所示，以吸油烟机风机旋转中心作为半径1.414 m的全球包络面的球心，14号传声器高度位于吸油烟机风机中心下方1 m处，与包络面相交，四个传声器围绕中心逆时针放置，1号和2号在吸油烟机斜前方，3号和4号在吸油烟机斜后方。从表1可以看出爆炒档下，T型吸油烟机的前面两个传声器声压级比后面两个略高13 dB，侧吸式吸油烟机的前面两个传声器声压级明显比后面的大56 dB，同时T型吸油烟机背后的两个传声器声压级比侧吸式吸油烟机背后的明显大3 dB左右。图2 T型吸油烟机模型图图3 侧吸式吸油烟机模型图表1 样机实测数据机型档位转速（r/min）流量（m3/min）声功率级（dB）测点1声压级（dB）测点2声压级（dB）测点3声压级（dB）测点4声压级（dB）T型爆炒档79018.271.659.358.656.157.2高档73017.169.556.855.853.754.7低档55012.462.850.549.447.348.0侧吸爆炒档86019.770.859.859.653.354.3高档71116.366.055.154.848.549.6低档47911.055.544.643.738.239.3Articles论文18 家电科技 Vol.3 2023 Issue 4221.2.2 流动仿真模型用SCDM建模软件及Fluent Meshing网格划分软件对两款吸油烟机进行模型简化及网格划分，如图5、图6所示，吸油烟机进风段用半球表示，出风段以止回阀出口直接延长圆管表示。网格类型采用多面体网格，同时在叶轮表面增加边界层网格，整体网格数量达到500万。a)简化模型 b)网格模型图5 T型吸油烟机模型 a)简化模型 b)网格模型图6 侧吸式吸油烟机模型利用Fluent软件对上述两款吸油烟机进行稳态及瞬态仿真，稳态仿真时湍流模型选择k-SST湍流模型，求解方法采用Coupled算法，此算法能够增加求解的稳定性，压力、速度、湍动能等方程选择二阶迎风格式，使求解精度更高，仿真求解器用双精度求解器，针对吸油烟机的叶轮旋转域部分，采用软件中提供的多重参考系（MRF）模型。通过观察出口流量周期性波动后视为求解稳定，之后将稳态仿真转换为瞬态仿真，湍流模型调整为大涡模拟（LES）湍流模型，为了提高求解效率，将求解方法改为SIMPLE，叶轮旋转域从多重参考模型转换成滑移网格（Sliding mesh）模型，根据两款吸油烟机的转速n（r/min），以叶轮旋转1 的时间作为瞬态仿真的时间步长t，求解公式如下：（1）经过瞬态仿真，计算叶轮旋转10圈的流场数据让流场到达稳定，取最后2圈瞬态流场数据的算数平均值和实测值进行对比。两款吸油烟机的仿真与实测结果对比如表2所示。仿真与实验流量误差在5%左右，流动仿真具有一定的准确性。表2 对标吸油烟机仿真与实测结果对比机型档位转速（r/min）仿真流量（m3/min）实测流量（m3/min）仿真与实验误差（%）T型爆炒档79018.218.20.3高档73016.417.14.0低档55013.012.45.0侧吸爆炒档86020.719.75.0高档71116.916.33.6低档47911.211.02.21.2.3 声学仿真模型将两个吸油烟机求解域的最后2圈的瞬态流场数据如静压、速度、密度通过Ensight格式输出，导入Actran声学仿真软件，基于Actran声学仿真软件对上述两个吸油烟机平台的爆炒档进行噪声仿真分析，并和实际测试噪声值进行对标分析，来验证Actran声学仿真的准确性。简化吸油烟机平台模型，以叶轮中心为圆心，半径1500 mm建立球形声传播域，将模型导入ICEM软件划分声学网格并导出Actran格式，得到的声学网格如图7所示。通过Actran中的ICFD模块将瞬态流场信息转换成声源信息（只提取叶轮旋转域的，其他区域的数据不提取），其声源映射结果如图8所示。通过Actran中的Direct Frequency Response模块，以叶轮旋转交界interface面为面声源域，通过声传播域向外传播噪声，考虑不同材料对声辐射的影响，根据机壳各部分的实际材料赋予相应的杨氏模量、密度、泊松比、阻尼等参数，计算国标GB/T 17713201110测试方法下4个相应传声器监测点的平均声功率级数值。取两款吸图4 噪声测试四个监测点位置（俯视图）Articles论文 19家电科技 Vol.3 2023 Issue 422油烟机在500 Hz、1000 Hz、1500 Hz和叶轮旋转噪声基频f1四个频率下的子午面声压级云图进行对比，旋转噪声基频f1计算方法如公式（2），z为叶轮的叶片数，其中T型吸油烟机的叶片数为60片，侧吸式吸油烟机的叶片数为66片，根据两个平台在爆炒档的转速n，得到它们的旋转噪声基频f1分别为790 Hz和946 Hz。（2）四个频率下的子午面声压级云图如图9、图10所示，可以看到对于本次分析，两个对标吸油烟机都是在旋转噪声基频时在机壳内部声压最大，同时从机壳表面（特别是和吸油烟机进出风口连通的区域）向外辐射的声压值也较大。基于上述结论，以旋转噪声基频下监测传声器所在高度截面的声源指向性图作为分析对象，如图11所示。180 到360 区间对应着吸油烟机的正面，0 到180 区间对应着吸油烟机的背面，可以看到，T型吸油烟机在正面225 315 区间辐射的声压级明显比侧吸式吸油烟机要大，特别是正前方270 处；对吸油烟机背面来说，它在45 和135 这两个方向声压级也较大（这两个方向正好对应着4号和3号传声器）；侧吸式吸油烟机由于吸风口对着正面向下，其背面朝着3号和4号两个传声器方向的声辐射非常弱（低于90 方向），导致相应的声 a)T型吸油烟机 b)侧吸式吸油烟机图7 吸油烟机声传播域网格 a)T型吸油烟机 b)侧吸式吸油烟机图8 吸油烟机爆炒档声源声压级云图 a)500 Hz b)1000 Hz c)1500 Hz d)790 Hz图9 T型吸油烟机爆炒档各频率声压级云图 a)500 Hz b)1000 Hz c)1500 Hz d)946 Hz图10 侧吸式吸油烟机爆炒档各频率声压级云图Articles论文20 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422压级也小。通过图11可以看出，仿真得到的声源指向性和实测四个传声器的声压级大小分布存在相似的规律。1.2.4 对标验证效果将两个吸油烟机平台在爆炒档的仿真声压级结果和实验测试结果进行对比，可以看到两个吸油烟机平台在爆炒档的平均声功率大小趋势，仿真值和实测值一致，但由于存在伪噪声的影响，使得仿真声功率级远大于实测声功率级，经过前期对不同直径叶轮的单风机进行仿真和实测对标分析，将叶轮直径和仿真实测的差值进行曲线拟合得到了仿真声功率级的修正公式，使修正后的声功率级接近实测值。叶轮直径和仿真实测的差值数据如表3所示；拟合结果如图12所示；拟合得到的修正公式如公式（3）所示，式中，LS为声功率修正值，D为叶轮直径。LS=0.001473D2-0.707266D+118.6 （3）T型吸油烟机所用叶轮直径是247 mm，声功率修正值为33.8 dB；侧吸式油烟机所用叶轮直径为255 mm，声功率修正值为34.0 dB，换算之后的结果如表4所示。可以看到修正之后的仿真声功率值和实测误差在5%以内，且依旧保持T型吸油烟机大于侧吸式吸油烟机的规律。表4 对标吸油烟机声功率级仿真与实测结果对比机型档位转速（r/min）仿真声功率级（dB）修正仿真声功率级（dB）实测声功率级（dB）仿真与实测误差（%）T型爆炒档790107.974.171.82.7侧吸爆炒档860105.071.070.81.0通过以上分析说明基于混合CAA法的声学仿真结果对吸油烟机的声源指向性有较好的预测能力，且通过修正之后的仿真值和实测值误差低于5%，因此可通过此方法针对不同吸油烟机平台的声辐射特性进行进一步的研究。2 不同吸油烟机平台对噪声辐射特性分析根据上文T型吸油烟机和侧吸式吸油烟机爆炒档测试的噪声趋势规律，发现T型吸油烟机在风量低于侧吸式吸油烟机的情况下，监测点传声器获取的平均声功率级数值仍大于侧吸式吸油烟机，推测不同的吸油烟机平台对噪声的辐射特性存在不一致的情况。为了排除风机本身噪声特性的影响，本章节研究通过固定同一风机模型（叶轮叶片数66片、外径260 mm），调整风机转速使得整机风量一致，对目前市面上比较常见的T型吸油烟机平台以及近年较流行的上下双吸式7字型吸油烟机平台进行混合CAA仿真，研究是否存在不同吸油烟机平台机壳对声源辐射有不同效果的现象。两个平台的简化模型如图13所示。a)T型吸油烟机 b)7字型吸油烟机图13 两个对比吸油烟机平台简化模型通过调整风机转速，两个吸油烟机平台的瞬态仿真整机风量以及相应转速下传播到四个噪声监测点的平均仿真声功率级如表5所示。可以看出在同风机、同转速、同风量下，两个吸油烟机平台传播到图11 两种吸油烟机爆炒档声源指向性对比图表3 叶轮直径和仿真实测的差值数据叶轮直径D（mm）仿真和实测差值（dB）25033.826034.328937.229838.7图12 叶轮直径和仿真实测差值拟合曲线Articles论文 21家电科技 Vol.3 2023 Issue 422表5 同风量下不同平台吸油烟机声功率级仿真对比对比机型转速（r/min）仿真风量（m3/min）仿真平均声功率级（dB）T型104727.680.27字型104727.677.9噪声监测点的平均声功率级存在明显的大小差异，7字型吸油烟机噪声要低于T型吸油烟机。根据上文得出的离散噪声基频下机壳内部声压级较大且外部声传播较明显的结论，取叶轮旋转噪声基频1150 Hz时的子午面声压级云图以及此频率下传声器所在截面的声源指向性云图进行分析，如图14、图15所示，可以看到T型吸油烟机正对底部吸风口方向的声辐射较大，而7字型吸油烟机由于主进风口对着正前方，其大部分噪声对着正面和下面辐射，对着1号和2号传声器的辐射声压级和T型接近，而背面朝着3号和4号传声器辐射的声压级明显低于T型，使得最终得到的平均声功率级要更低。a)T型吸油烟机 b)7字型吸油烟机图14 两个吸油烟机平台声压级云图（1150 Hz）图15 两种吸油烟机爆炒档声源指向性对比图在同转速、同风机情况下，两个吸油烟机平台获得了相同的风量，说明这两个平台的机壳系统风阻基本一致，在风阻一致的情况下，两个平台辐射的声功率级数值有明显差异，说明不同的吸油烟机平台对声音的辐射效果不同，合理设计进风口位置的平台可以得到更低的噪声数值，起到降噪的效果。3 结论本文基于混合CAA法，对不同平台的吸油烟机进行声辐射仿真分析，得到结论如下：（1）通过仿真对标发现，结合Fluent和Actran软件的混合CAA法得到的声学仿真结果对吸油烟机的声源指向性有较好的预测能力，通过修正之后的声功率级仿真值和实测值误差可以达到5%以内。（2）使用相同的风机系统，同转速、同风量的不同吸油烟机平台，经过混合CAA法分析后发现，T型吸油烟机平台传播到传声器的平均声功率级数值比7字型吸油烟机平台要高2 dB左右，说明不同吸油烟机平台对声音的辐射效果不同。（3）通过本研究可以发现，通过合理选择吸油烟机平台并设计进风口位置，可以在同风量下达到降噪的目的，进而可以设计出更大风量和风压的吸油烟机产品。参考文献1 刘小民,王星,汤虎,等.我国吸油烟机性能改进技术研究进展J.轻工机械,2011(06):122-127.2 冯琪,李嵩,高虹.吸油烟机多叶离心风机的优化与改进J.风机技术,2019(01):41-45.3 李烁,刘小民,秦志刚.偏心叶轮对多翼离心风机气动性能和噪声影响的数值研究J.风机技术,2017(01):18-24+37.4 孟永哲,盖其高,巩健,等.一种新结构叶轮在吸油烟机上的应用J.家电科技,2021(zk):104-107.5 贾兴仕,李勇,张洪军.微穿孔板在抽油烟机噪声控制中的应用J.中国计量大学学报,2020(01):57-64.6 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