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基于涡声理论的低速轴流风机气动噪声研究(1)

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传统气动声学研究主要采用近场CFD确定声源强度和远场求解非齐次波动方程相结合的声类比混合方法进行求解旧】,难以回答诸如流场和声场相互作用机理、声波能量在流体介质中的产生、传递等基本问题。从60年代以来,Powell【3J'Howe[4J等人从涡动力学角度出发,对于流体发声的内部机理、声波与湍流的相互作用等基础问题进行了研究,建立了涡声理论,对低速等熵条件下流动发声机理具有较好适用性。

本文以空调器室外机中风机厂低速轴流石家庄风机与导风罩的气动噪声为研究对象。在采用PIV和cFD对具有不同安装角的轴流石家庄风机与导风罩内部流场分析基础上,结合低速等熵流动的涡声理论分析轴流石家庄风机内部流场与噪声辐射关联,辨识主要气动噪声源。并在此基础上采用基于CFD的涡脱落噪声预测模型对低速轴流石家庄风机气动噪声总声压级进行了预溅。

本文所研究的低速轴流石家庄风机为空调器室外机常用大弦长、小展弦比前掠叶片,在叶片后半弦长的叶顶位置安装有导风罩,属部分管道式结构,如图1所示。叶轮直径470 mm,轮毂比o.34,叶片数3,导风罩直径486 mm,导风罩宽度60 mm,石家庄风机叶顶间隙8 mm。对三个不同安装角的轴流石家庄风机进行对比研究,除叶片安装角外,三个轴流风扇的几何参数和叶型参数完全一致,其基本性能参数如表1所示。其中Fan.A定义为原型叶轮,将叶片安装角增加4。后得到Fan—B,将叶片安装角减小5。后得到Fan—C。基本的气动测试和声学测试在上海交通大学半消声室中进行,分别依据GBl236—2000和GB2888—1991。结果显示 随着轴流风扇叶片安装角的增加,叶轮转速降低,总声压级相应减小。

采用丹麦Dantec公司生产的数字式二维PIV激光流场测试系统对轴流风扇和导风罩结构的进出口流场进行了测试。Dantec的PIV系统激光器为双谐振脉冲式Nd:YAG激光器,每个脉冲能量200 mJ,工作频率10 Hz,激光波长532nm(绿光),片光源厚度1 mm,张角14。。ccD相机为KODAKMEGAPLus ES 1.o互/自相关数字相机,像素为1018×1008,互相关双帧模式下工作频率7.7Hz。

对于旋转轴流风扇叶片通道内部流场的测量,采用锁相平均技术进行触发采样。每个触发位置拍摄300^一500幅瞬态流场照片进行锁相平均,并将沿圆周不同相角的锁相平均结果进行总体平均。图2为轴流石家庄风机(Fan.A)和导风罩进出口上、下游流道通过旋转轴子午面内瞬态PIV速度矢量分布。在轴流风扇叶顶近吸力面侧存在一个明显的叶尖涡。叶尖涡由叶顶压力面和吸力面间压差所诱发,并在主流的作用下逆旋转方向向下游发展。叶尖涡的形成、发展,及其与导风罩的干涉将直接诱发轴流石家庄风机的气动噪声辐射。由于受到导风罩结构的影响,PIV实验无法进一步捕捉叶尖涡在叶片叶顶与导风罩之间间隙内部的发展过程,需要采用CFD手段进一步加以研究。

采用PIV和cFD对不同安装角低速轴流风机流场进行对比研究,结合低速等熵流动的涡声理论分析风机内部流场与噪声辐射关联,在此基础上计算风机气动噪声。研究表明,低速等熵流动的气动噪声主要源于流场中涡系的拉伸与破裂。均匀进气情况下低速轴流风机的主要气动噪声源为叶片尾缘涡脱落噪声和叶尖涡噪声,其中前者强度明显大于后者。在此基础上,应用基于cFD的涡脱落噪声预测模型对石家庄风机气动噪声预测结果与实验吻合较好。