蘇陽陽，穆塔里夫·阿赫邁德,2，孟祥云

(1.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；3.新疆乾坤環(huán)能科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

引言

離心式風(fēng)機(jī)作為一種通用機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于金屬礦山、煤炭工業(yè)、鋼鐵工業(yè)及電力行業(yè)等能源動力行業(yè)。隨著科技的發(fā)展，人們更加追求離心風(fēng)機(jī)的低噪聲。

離心風(fēng)機(jī)噪聲主要由機(jī)械噪聲、氣動噪聲組成，其中氣動噪聲對風(fēng)機(jī)的噪聲影響較大，降噪被國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，且具有較高的實(shí)用價值。雷樂等[1]研究改變離心風(fēng)機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)對離心風(fēng)機(jī)的性能和噪聲的影響，得出了有效的降噪方案；王夢豪等[2]設(shè)計了4種不同弧線的仿鸮翼葉片，并與原型葉片進(jìn)行對比，結(jié)果表明，單圓弧中弧線的降噪效果最好；XU等[3]通過實(shí)驗研究了金屬泡沫蝸舌結(jié)構(gòu)對離心風(fēng)機(jī)噪聲的影響，實(shí)驗表明，開孔金屬泡沫的蝸舌可通過降低蝸舌表面壓力脈動來實(shí)現(xiàn)離心風(fēng)機(jī)噪聲的降低；李春曦等[4]對離心風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行加長設(shè)計及實(shí)驗研究，結(jié)果表明，葉片加長后，流量和全壓相應(yīng)提高，但是增加了離心風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲，且使風(fēng)機(jī)內(nèi)流動惡化，增加了湍流噪聲；胡四兵等[5]通過聲學(xué)傳感器和頻譜儀對離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗研究，得出離心風(fēng)機(jī)的噪聲源，并對內(nèi)部添加填充物，研究其對離心風(fēng)機(jī)的降噪效果。

1 計算模型和計算方法

1.1 模型的建立和網(wǎng)格劃分

離心風(fēng)機(jī)主要組成部分為進(jìn)風(fēng)口、蝸殼和葉輪，其主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 離心風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 葉片打孔設(shè)計

在原有的模型上對離心風(fēng)機(jī)葉片上進(jìn)行前、中、后3種方式開孔設(shè)計，圖1為風(fēng)機(jī)原型與3種開孔方式的葉輪三維對比圖。

圖1 葉輪開孔圖

1.3 網(wǎng)格劃分

采用ICEM軟件對計算域流場網(wǎng)格進(jìn)行劃分。離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口和蝸殼部分全部采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。包裹葉輪計算域設(shè)為旋轉(zhuǎn)域[6]，為了更好的適應(yīng)內(nèi)部不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，所以對其采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分。最終網(wǎng)格總數(shù)量約為236萬，將各部分網(wǎng)格劃分好后進(jìn)行網(wǎng)格組合，組合后的計算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格

1.4 計算方法

流場計算中，采用RNGk-ε湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，邊界條件：進(jìn)口設(shè)置為自由入口，出口設(shè)為壓力出口，設(shè)為0.001 MPa，壁面采用無滑移邊界條件，求解器采用SIMPLE算法進(jìn)行求解，計算收斂殘差設(shè)置為10-4[7]，離心風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)域采用Frame Motion模型。穩(wěn)態(tài)流場計算完成后，激活寬頻噪聲模型[8]，采用LES模型對流場進(jìn)行瞬態(tài)求解[9]，并將穩(wěn)態(tài)計算的結(jié)果作為瞬態(tài)求解的初始條件。為了提供一個良好的初始流場，葉輪所在的旋轉(zhuǎn)域改為Mesh Motion模型。瞬態(tài)計算完成后激活FW-H模型，并根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3745采用包絡(luò)面法[2]，以葉輪為中心，半徑1 m，在水平方向上分別在離心風(fēng)機(jī)四周設(shè)置12個監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示，并對聲學(xué)模型繼續(xù)進(jìn)行求解，得到各個監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)分布圖

本研究采用基于FW-H方程的聲學(xué)類比方法，F(xiàn)W-H方程[10]是通過引入海維塞函數(shù)(Heaviside function)，重新改寫N-S方程，是聲類比方法最通用的形式。方程為：

(1)

式中，ui——xi方向的流體速度分量

un—— 垂直于聲源面s=0的流體速度分量

vn—— 垂直聲源面方向聲源面速度分量

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 不同模型的氣動性能

為了觀察4種離心風(fēng)機(jī)模型的風(fēng)機(jī)性能，在不同風(fēng)機(jī)流量下，分析4種風(fēng)機(jī)模型的全壓分布，如圖4所示。

圖4 不同風(fēng)機(jī)流量下的模型全壓分布圖

從圖中可以看出，在7種不同流量的工況下4種風(fēng)機(jī)的全壓變化趨勢為：風(fēng)機(jī)流量的增加會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)全壓的減小。在小流量的工況下，打孔設(shè)計的模型可得到比風(fēng)機(jī)原型更高的全壓，具有更好的氣動性能；在大流量的工況下，4種模型之間的全壓基本趨于一致，說明葉片打孔設(shè)計對風(fēng)機(jī)的氣動性能影響不大，為本研究的噪聲分析提供了基礎(chǔ)。

2.2 寬頻噪聲模型分析

經(jīng)過流場的穩(wěn)態(tài)計算，激活寬頻噪聲模型，可以得到離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)表面的聲壓分布云圖，如圖5所示。在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口集流器處、蝸舌、蝸殼底部和葉輪葉片的邊緣處有較大的聲壓分布，而在風(fēng)機(jī)蝸殼上端和兩側(cè)則聲壓較小，這是由于風(fēng)機(jī)在工作過程中葉輪旋轉(zhuǎn)帶動空氣進(jìn)入蝸殼，造成離心風(fēng)機(jī)的部分位置湍動能較高，進(jìn)而產(chǎn)生較高的聲壓。針對離心風(fēng)機(jī)的噪聲問題，可采用消聲蝸殼、進(jìn)風(fēng)口消聲器、蝸舌和葉片形狀的改進(jìn)設(shè)計進(jìn)行有效的降噪。

圖5 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)表面聲壓云圖

表2為離心風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下聲壓級的最大值，可以看出，隨著風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，聲壓級的最大值也相應(yīng)增大，在低轉(zhuǎn)速到中間轉(zhuǎn)速時噪聲升高的較快。額定轉(zhuǎn)速為 3000 r/min,工況在1750～2250 r/min時，噪聲增加了13 dB；在趨于額定的轉(zhuǎn)速時則升高速度減緩，工況在2250～2750 r/min時，噪聲只增加了3 dB,說明離心風(fēng)機(jī)的噪聲的增加趨勢為前期加快，后期則慢慢趨于穩(wěn)定。

表2 不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下離心風(fēng)機(jī)聲壓級最大值

2.3 LES/FW-H匹配技術(shù)分析

利用LES/FW-H匹配技術(shù)計算流場后，可以通過快速傅里葉變換(FFT)得到噪聲計算的頻譜圖。葉片有一定的通過頻率，可以根據(jù)以下公式計算得出[11]：

(2)

式中,n—— 離心風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速

Z—— 葉片數(shù)

i—— 諧波序號

其中，i=1時為基頻，在此頻率聲壓為最高，i=2,3,4，… 時為高階諧頻，其趨勢為逐漸減弱。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1750 r/min，Z=36時，通過公式可求得風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻fP=1050 Hz。

以監(jiān)測點(diǎn)1作為研究對象，得到離心風(fēng)機(jī)聲壓級和頻率的關(guān)系圖。圖6為4種離心風(fēng)機(jī)模型的噪聲頻譜對比圖。由于離心風(fēng)機(jī)的噪聲主要產(chǎn)生于低頻段，所以在分析時采取了0～3600 Hz內(nèi)的噪聲頻譜分布，從圖中可以看出，離心風(fēng)機(jī)的噪聲分布有明顯的離散特性和寬頻特性，在通過頻率(BPF, 基頻為1050 Hz)處有明顯的噪聲峰值，于理論分析較為一致，說明其噪聲源計算模型是可靠的。噪聲的總體分布為，在低頻時聲壓級較大，中頻段聲壓級下降較快，在高頻段呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的趨勢。

從圖6a和圖6b可以看出，在離心風(fēng)機(jī)葉輪前端和中間進(jìn)行開孔設(shè)計后，基頻處的聲壓級由風(fēng)機(jī)原型的90.5 dB降為86.3 dB和89.6 dB,噪聲分別降低了4 dB和1 dB，且在高頻段有明顯的降低。由此可以表明，葉輪前端和中間開孔設(shè)計可以有效的減弱葉輪和蝸殼之間的非定常力，從而降低了離心風(fēng)機(jī)的氣動噪聲。從圖6c可以看出，在葉輪后端進(jìn)行開孔設(shè)計后，基頻處的聲壓級為92.7 dB，較風(fēng)機(jī)原型升高2 dB，且在中頻和高頻段聲壓級明顯高于風(fēng)機(jī)原型。由此可以看出，在不同位置對風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行開孔的設(shè)計會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)的聲壓級呈現(xiàn)不同的變化，在葉輪前端進(jìn)行開孔設(shè)計的降噪效果最佳，也為離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的依據(jù)。

圖6 噪聲頻譜分布圖

在監(jiān)測點(diǎn)接收的聲壓信號可經(jīng)過快速傅里葉變換，得到噪聲的功率譜密度，進(jìn)而建立聲能和頻率分布的關(guān)系[12]。圖7為離心風(fēng)機(jī)原型和3種葉片打孔模型的功率譜密度分布的對比圖。離心風(fēng)機(jī)的低頻處為主要的噪聲能量分布，中頻和高頻則噪聲能量分布較小，在基頻處會有峰值的出現(xiàn)，并明顯高于其他頻率處。在葉輪前端和中間進(jìn)行打孔的設(shè)計所產(chǎn)生的功率譜密度有不同的降低，尤其是在前端打孔的風(fēng)機(jī)模型，功率譜密度降低了17%，在后端打孔的設(shè)計則有明顯的升高，這與圖7的分析結(jié)果一致，說明前端和中間打孔的設(shè)計能夠有效降低風(fēng)機(jī)的噪聲，葉輪后端打孔則會導(dǎo)致功率譜密度增加。

圖7 功率譜密度圖

由設(shè)置的監(jiān)測點(diǎn)可以得到設(shè)計工況下的4種離心風(fēng)機(jī)模型的聲壓級指向性圖，如圖8所示。噪聲聲源的指向性表現(xiàn)為在徑向上輻射較強(qiáng)、軸向上輻射較弱的特征，總體呈現(xiàn)為不規(guī)則的“8”字形。其原因主要為風(fēng)機(jī)葉輪在工作時與蝸殼之間的流場相互作用較為劇烈，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)蝸殼的主要脈動壓力為徑向方向，而軸向方向下端比上端聲壓指向性較強(qiáng)的原因在于其范圍內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)離心風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口處。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)指向性聲壓級分布圖

通過3種葉片開孔位置與風(fēng)機(jī)原型的對比可以看出，在葉輪前端開孔的降噪效果最佳，尤其是在60°監(jiān)測點(diǎn)位置，下降了8 dB；在葉輪中間開孔的設(shè)計降噪效果次之，在60°和300°監(jiān)測點(diǎn)位置下降了5 dB；而葉輪后端開孔的設(shè)計在90°監(jiān)測點(diǎn)位置則上升了6 dB。

為研究離心風(fēng)機(jī)噪聲在空氣中的傳播特點(diǎn)，分別在風(fēng)機(jī)的垂向和軸向上布置6個監(jiān)測點(diǎn)，且每個監(jiān)測點(diǎn)之間距離為0.5 m，測得各個監(jiān)測點(diǎn)的聲壓級數(shù)據(jù)，如圖9所示?？煽闯鲈诖瓜蛏嫌^測點(diǎn)的聲壓級大于其軸向上的觀測點(diǎn)的聲壓級，隨著距離的增加，聲壓級基本呈線性衰減的趨勢，且在軸向上的衰減速度較快。

圖9 垂向和軸向位移聲壓級圖

3 結(jié)論

(1)對風(fēng)機(jī)進(jìn)行寬頻模型分析，可以得到離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)表面的聲壓分布云圖，在風(fēng)機(jī)的進(jìn)口集流器處、蝸舌、蝸殼底部和葉輪葉片的邊緣處有較大的聲壓分布。分析在不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)機(jī)的最大噪聲，離心風(fēng)機(jī)的噪聲在低轉(zhuǎn)速到中間轉(zhuǎn)速時噪聲升高的較快，在趨于額定轉(zhuǎn)速時則慢慢趨于穩(wěn)定；

(2)對風(fēng)機(jī)采用FW-H模型，并與LES相匹配進(jìn)行分析，可以看出離心風(fēng)機(jī)的氣動噪聲的頻率主要集中在低中頻段，且降低速度較快，在高頻段則趨于平穩(wěn)。噪聲頻譜圖和功率譜密度分布圖顯示，葉輪前端和中間打孔降噪性能都優(yōu)于原型風(fēng)機(jī)，在基頻處噪聲分別下降了4 dB和1 dB；葉輪后端打孔則會導(dǎo)致噪聲增加，在基頻處噪聲升高了2 dB。通過指向性聲壓分布圖可得出，在葉輪前端開孔的降噪效果最佳，尤其是在60°監(jiān)測點(diǎn)位置，下降了8 dB；在葉輪中間開孔的設(shè)計降噪效果次之，在60°和300°監(jiān)測點(diǎn)位置下降了5 dB；而葉輪后端開孔的設(shè)計在90°監(jiān)測點(diǎn)位置則上升了6 dB;

(3)對風(fēng)機(jī)軸向上和垂向上進(jìn)行噪聲分析，結(jié)果可知：在垂向上觀測點(diǎn)的聲壓級大于其軸向上的觀測點(diǎn)的聲壓級，隨著距離的增加，聲壓級基本呈線性衰減的趨勢，且在軸向上的衰減速度較快。