燃料電池車用旋渦風機氣動噪聲及影響因素

左曙光，韓惠君，蘇 虎，韋開君，趙愿玲

（同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804）

0 引 言

燃料電池車的結構布置形式與傳統汽車有很大不同，振動噪聲源也發生了根本的改變。本文研究的燃料電池車中，驅動電機總成、動力轉向泵、空調壓縮機、燃料電池冷卻水泵、風機布置在前艙，氫泵布置在后艙。燃料電池系統中的旋渦風機和氫氣供給泵是燃料電池車的主要振動噪聲源［1］。隨著新一代燃料電池車平臺的研發，以氫泵為主的氫氣輔助系統將采用氫氣閥的形式，振動噪聲大為降低。因此，旋渦風機的振動噪聲成為提高燃料電池轎車NVH性能必須重點研究的內容。

目前國內外對旋渦風機的研究主要集中在對其性能預測和靈敏度分析上，公開發表的文獻中，很少有對旋渦風機噪聲的研究。Wilson等［2］針對直葉片旋渦風機推導了動量交換理論，該理論模型可以用于揭示風機內部螺旋形流動。Song等［3］通過改進 Wilson的模型研究了由于葉環道面積變化導致的循環流速度的改變，提出了預測風機性能的一維模型，并通過引入流體損失模型來試圖脫離試驗的束縛。在旋渦風機性能的靈敏度分析方面，Engeda和Elkacimi［4］對發動機排氣系統中的一個二次送風系統的氣泵進行了風機性能（包括壓頭、進出口壓力比、能耗）的靈敏度分析，還利用CFD軟件對風機內部流場進行了計算，研究了進口角度、背壓、葉片數以及其他因素（包括葉頂間隙、葉片高度、葉片角度等）對風機流量的影響；蔡兆麟和張文俊［5－6］用 CFD軟件對旋渦風機內部流場進行了數值模擬，分析了結構參數（包括葉片形狀、隔板形狀和寬度、間隙和出口管角度等）對風機性能的影，分析結果顯示出口傾斜角的設置很重要，會對風機的性能和噪聲產生較大影響；張世煒［7］分析出旋渦風機產生的噪聲主要是氣動噪聲，尤其是高頻的旋轉噪聲。蘇虎［8］分析得到漩渦風機旋轉噪聲頻率不但和風機總葉片數有關，還和風機進、出口葉片數有關。

本文基于對燃料電池車用旋渦風機噪聲特性試驗的分析，結合工程分析軟件Fluent，對風機在穩態和瞬態工況運行時產生的主要峰值頻率進行了分析，為風機的降噪提供了一定依據。

1 旋渦風機噪聲特性試驗

試驗主要對燃料電池汽車處于靜止工況下，空輔系統單獨運行時，旋渦風機的噪聲特性進行測試，確定了其噪聲隨轉速變化的特性。試驗所用的旋渦風機結構參數如下:葉片數為55；入出口之間的葉片數為42；殼體隔板與葉輪的徑向間隙為0.5mm。試驗工況分為穩態工況和瞬態工況。穩態工況下風機轉速為1000～3800r／min，轉速間隔為400，一共8個狀態；瞬態工況為轉速從1000r／min上升至3800r／min的動態變化過程。風機前側噪聲的測試結果如圖1所示。

圖1 風機前側噪聲頻譜圖Fig.1 Noise spectrum in front of the blower

從圖1可以看出:旋渦風機噪聲以中高頻成分為主，包括寬頻的湍流噪聲和窄帶的旋轉噪聲，其中高頻的旋轉噪聲是主要的峰值頻率。在穩態轉速和瞬態工況下，風機前側噪聲在葉輪旋轉頻率的10倍頻和42倍頻處均有比較明顯的峰值。下文將對試驗發現的這些主要峰值頻率進行數值模擬和分析。

2 旋渦風機內流場及遠場噪聲

2.1 模型簡化及網格劃分

相比三維模型，二維模型簡單、計算效率高，而且經本文計算證明二維模型雖然不能精確地定量反映風機噪聲幅值，但是可以用于定性分析風機噪聲，以及結構參數的改變對噪聲的影響。而且，由于在研究影響因素分析時需要建立很多個CFD模型，采用二維模型可以大大降低計算成本和提高計算效率。因此，本文對風機從以下幾個方面進行了簡化:①僅考慮風機內部沿著周向的流體運動，不考慮沿軸線方向的運動，將風機簡化成二維模型；②將風機的進、出口方向由沿軸向改為沿徑向；③葉片厚度均勻，忽略倒角等細節。圖2為實際風機模型，圖3為簡化后的風機模型。

圖2 實際三維風機模型Fig.23 DCAD model of the blower

圖3 簡化后的風機模型Fig.3 Simplified blower model

本文采用非結構網格對風機進行網格劃分，網格數大約為70萬。

2.2 風機內部監測點壓力脈動及遠場噪聲計算

為了說明簡化模型的可行性，對旋渦風機內流場進行了計算。仿真參數:壓力入口邊界（表壓），0Pa；壓力出口邊界（表壓），1000Pa；葉輪轉速，3000r／min；湍流模型，大渦模擬；速度－壓力耦 合 解 法，SIMPLE；離 散 格 式，Pressure（Standard）， Momentum （Bounded central differencing）。圖4為監測位置示意圖，這5個監測位置分別為葉片的吸力面、壓力面（葉片為前彎葉片，故吸力面和壓力面分別各有兩個監測位置）和葉片頂端。由于葉輪為中心對稱結構，因此葉輪旋轉后這5個監測位置可以反映出整個流場的信息。

通過仿真得到5個監測位置的壓力脈動頻域圖，如圖5所示。仿真結果顯示這5個監測位置均可反映出風機葉輪旋轉頻率的基頻和42倍頻。圖5（a）為監測位置1處的壓力脈動。明確了風機內部監測位置的流場壓力脈動信息，求解FWH方程可以得到風機遠場噪聲。圖6為旋渦風機遠場噪聲監測點示意圖。圖7（b）為遠場監測點8處聲壓級。

圖4 監測點位置、入出口之間的葉片數Fig.4 Monitor sites and blade number from inlet to outlet

圖5 壓力脈動頻譜和遠場噪聲頻譜Fig.5 Pressure pulsation and far field noise spectrum

圖6 旋渦風機遠場監測點Fig.6 Monitor points for the far field noise

為了進一步說明二維模型中42倍頻的來源，本文將風機的葉片數進行調整，分別計算了風機轉速為3000r／min，葉片數分別為60、50、40、30的風機內監測位置處的內部流場，以及風機外監測點的聲壓頻譜，如圖7所示。左側圖為風機內監測點的壓力脈動頻譜圖，右側圖為遠場監測點噪聲的聲壓頻譜圖。

圖7 風機壓力脈動頻譜和遠場噪聲頻譜Fig.7 Pressure pulsation and far field noise spectrum

通過風機內流場監測位置1和風機遠場監測點8得到的聲壓頻譜中的峰值頻率，結合不同葉片數下風機進、出口之間的葉片數，發現峰值頻率的變化規律，如表1所示。

表1中旋渦風機的葉片數目是唯一的變量，殼體上隔板與葉輪的徑向間隙為0.5mm。從表1可以看出:旋渦風機遠場噪聲的峰值頻率與風機內流場壓力脈動峰值頻率是一致的，而且噪聲峰值頻率等于風機旋轉基頻與進、出口之間的葉片數之積。本文試驗采用的風機葉片數為55，進、出口之間的葉片數為42，因此試驗測得的旋渦風機噪聲峰值頻率為旋轉頻率的42倍頻，仿真結果與試驗結果一致。但是，旋渦風機噪聲的峰值頻率不僅與風機進、出口的葉片數有關，還與隔板與葉輪之間的徑向間隙有關。圖8為不同徑向間隙下風機遠場噪聲聲壓頻域圖。仿真計算時，徑向間隙是唯一變量。

表1 風機壓力脈動及遠場噪聲與進、出口葉片數關系Table 1 Relationship of pressure fluctuation and far－field noise with blade number

由圖8可知:隨著旋渦風機徑向間隙的減小，風機遠場噪聲的頻譜特征會發生變化。當間隙大于0.5mm時，風機噪聲的峰值頻率為55倍頻；當徑向間隙小于或等于0.5mm時，風機噪聲的峰值頻率變為42倍頻。因為間隙大時，擋板和葉輪組成的空間中也會充滿氣體，葉輪上的非定常力不可忽略，而當間隙小到一定程度時，此處的流體運動很微弱，可以忽略不計。本文試驗采用的模型徑向間隙為0.5mm，因此試驗測得的風機噪聲峰值頻率為旋轉頻率的42倍頻，仿真結果與試驗結果一致。

3 葉片相關參數對旋渦風機氣動噪聲的影響

雖然二維模型沒能反映出試驗測得的10倍頻成分，但是該模型準確反映出了42倍頻成分，而且此模型的計算效率很高。因此，可以用該模型定性分析葉片參數的改變對噪聲的影響。本文選取了6個不同的葉片彎角，6個不同的葉片數目，和4個不同的徑向間隙。

3.1 不同葉片彎角對風機噪聲的影響

圖8 不同徑向間隙下的遠場噪聲頻譜Fig.8 Noise spectrum with different of blower radial clearance

本文主要針對前彎葉片在風機周圍設定固定監測點來監測不同葉片彎角下的風機在同一位置處的噪聲變化情況，原風機葉片彎角為16.7°，葉片彎角的變化為5°到30°，間隔為5°。風機遠場監測點位置不變。圖9為旋渦風機遠場噪聲聲壓級隨葉片彎角的變化曲線，從圖中可以看出:旋渦風機遠場噪聲的聲壓值隨著葉片彎角的變化規律不明顯，但是都是在25°時產生最大的噪聲。

圖9 旋渦風機遠場監測點聲壓級隨葉片彎角的變化Fig.9 Sound pressure level with various blade angles at monitor site in far field

3.2 不同葉片數目對風機噪聲的影響

原風機的葉片數目為55，改變后的葉片數目分別為30、40、45、50、60，監測位置不變。圖10為旋渦風機遠場監測點聲壓級隨葉片數目的變化曲線，由圖可知:隨著葉片數目的增多，旋渦風機遠場噪聲的聲壓級減小。但是在葉片厚度保持一定的情況下，風機的葉片不可能無限增多。因此，葉片數目應結合風機性能和噪聲進行選擇。

圖10 旋渦風機遠場監測點聲壓級隨葉片數目的變化Fig.10 Sound pressure level with various blade number at monitor site in far field

3.3 不同葉輪與隔板之間的徑向間隙對風機噪聲的影響

原風機葉輪與隔板之間的徑向間隙為0.5mm，改變后的徑向間隙分別為2、1、0.3mm。圖11為在不同間隙下的風機遠場噪聲聲壓級，由圖可知:旋渦風機遠場噪聲隨著徑向間隙的減小而增大。

3.4 風機噪聲影響參數分析

圖11 旋渦風機遠場監測點聲壓級隨徑向間隙的變化Fig.11 Sound pressure level with various radial clearances at monitor site in far field

由于各個監測點的結果具有相似性，本文僅以監測點1為例進行分析。表2給出了不同參數的極差值。一般而言，極差大說明該參數對噪聲的影響大，所以根據極差值的大小就可以確定各個參數的主次關系。然而分析時，各個參數的變化幅度是不同的，這是考慮到了實際應用的情況。為了消除變化幅度不同帶來的差別，本文采用相對極差來評價各個參數對風機噪聲的影響。表3給出了風機噪聲的極差分析。

表2 風機總聲壓級隨結構參數的變化Table 2 Overall sound pressure level with the change of design parameters dB

表3 風機噪聲的極差分析Table 3 Range analysis of the blower noise

從表3可以得出:對旋渦風機噪聲影響從大到小依次為:間隙、葉片數、葉片彎角，可見，徑向間隙對風機噪聲的影響最大，因此從噪聲的角度應合理設計葉輪與殼體隔板的徑向間隙，避免間隙過小。

4 結 論

（1）旋渦風機噪聲的峰值頻率與葉片數目、隔板和葉輪之間的徑向間隙有關。對于總葉片數為55，進、出口葉片數為42的旋渦風機，若間隙大于0.5mm，風機噪聲的峰值頻率為55倍頻；若徑向間隙小于或等于0.5mm，風機噪聲的峰值頻率變為42倍頻。

（2）葉輪相關參數對風機噪聲的影響從大到小依次為:間隙、葉片數、葉片彎角，因此從噪聲的角度應該避免徑向間隙過小。

［1］陳有松，左曙光，閻醮.燃料電池轎車的室內噪聲分析與預測［J］.汽車工程，2006，28（9）:861－864，872.Chen You－song，Zuo Shu－guang，Yan Jiao.Interior noise prediction for fuel cell cars［J］.Automotive Engineering，2006，28（9）:861－864，872.

［2］Wilson W A，Santalo M A，Oelrich J A.A theory of the fluid－dynamic mechanism of regenerative pumps［J］.Trans ASME，1955，77（8）:1303－1316.

［3］Song J W，Engeda A，Chung M K.A modified theory for the flow mechanism in a regenerative flow pump［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part A:Journal of Power and Energy，2003，217（3）:311－321.

［4］Engeda A，Elkacimi Y.A regenerative flow compressor as a secondary air pump for engine emission control［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C:Journal of Mechanical Engineering Science，2008，222（9）:1707－1715.

［5］蔡兆麟，張文俊.旋渦氫氣鼓風機性能數值模擬［J］.石油化工設備，2005，34（2）:25－27.Cai Zhao－lin，Zhang Wen－jun.Numerical simmulation of a regenerative blower＇s performance［J］.Petro－chemical Equipment，2005，34（2）:25－27.

［6］張文俊，蔡兆麟.旋渦鼓風機幾何參數對其性能的影響［J］.化工裝備技術，2005，26（1）:54－57.Zhang Wen－jun，Cai Zhao－lin.The effect of a regenerative blower＇s geometric parameters on its performance［J］.Chemical Equipment Technology，2005，26（1）:54－57.

［7］張世煒.燃料電池轎車旋渦風機噪聲機理研究［D］.上海:同濟大學汽車學院，2009.Zhang Shi－wei.Research on vibration and noise mechanism of a regenerative pump in the fuel cell cars［D］.Shanghai:School of Automotive Studies，Tongji University，2009.

［8］蘇虎.燃料電池車用旋渦風機氣動噪聲研究［D］.上海:同濟大學汽車學院，2012.Su Hu.Research on aerodynamic noise of regenerative blower in the fuel cell vehicle［D］.Shanghai:School of Automotive Studies，Tongji University，2012.