軸流風機旋轉葉片的氣動噪聲分析

孫揚智，肖世德，徐鑫凱，潘紹飛

（西南交通大學機械工程學院，成都610031）

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軸流風機旋轉葉片的氣動噪聲分析

孫揚智，肖世德，徐鑫凱，潘紹飛

（西南交通大學機械工程學院，成都610031）

針對某型軸流風機引起的氣動噪聲問題，建立該型軸流風機的三維模型，利用Lighthill聲類比理論、FW-H聲波波動方程和Fluent數值模擬，分析該軸流風機旋轉葉片引起的氣動噪聲的噪聲特性。數值模擬結果表明，旋轉葉片上的靜態壓力主要集中在旋轉方向前方的葉面上；而脈動壓力則在葉片的兩個面上均有分布，分布區域主要集中在葉片的外緣，這是由于葉片外緣脫落的旋渦引起的劇烈的氣流震蕩所導致。葉片上的氣動噪聲功率主要分布在葉片的外緣，其分布規律與脈動壓力的分布規律有差異，表明旋轉葉片的氣動噪聲并不完全由脈動壓力產生。旋轉葉片所誘發的氣動噪聲隨著葉片轉速和風機直徑的增大而增大。

聲學；軸流風機；旋轉葉片；氣動噪聲；FW-H方程；Fluent軟件

軸流風機作為一種廣泛運用的流體機械，在工程實際中發揮著重要作用，但同時也引起了較大的噪聲污染，其中氣動噪聲是軸流風機的主要聲源［1］，它是由旋轉葉片在轉動過程中與氣流相互作用而產生的。旋轉葉片的氣動噪聲可以分為兩類，一類是離散噪聲，離散噪聲與葉片的旋轉頻率相關，有時也稱其為旋轉噪聲；另一類是寬帶噪聲，寬帶噪聲受葉片上的脈動壓力影響，表現為一種無明顯主頻的寬頻噪聲［2］。離散噪聲的大小取決于葉片的幾何尺寸、葉片的運動狀態和葉片上的氣動載荷等因素，而寬帶噪聲的大小主要由葉片紊流附面層的流體狀況決定。

國內外已對旋轉葉片的氣動噪聲開展了較多的研究。劉曉良等研究風機蝸殼寬度對氣動噪聲的影響［1］。張亞東等進行車用交流發電機旋轉葉片氣動噪聲的實驗研究，并分析氣動噪聲的階次特性［3］。歐陽華等基于渦聲理論分析低速軸流風機的氣動噪聲［4］。胡俊偉等分析不等距葉片作用下的氣動噪聲規律［5］。文獻［6］對開式風機在不同轉速工況下的氣動噪聲進行測量，得出氣動噪聲具有一定指向規律的結論。文中在已有研究的基礎上，基于FW-H聲波波動方程、Fluent軟件和Lighthill聲類比理論對某型軸流風機氣動噪聲的噪聲特性進行深入研究。

1　軸流風機模型

某型軸流風機示意圖如圖1（a）所示，已知風機的直徑為400 mm，葉片數量為5個。文中分別針對不同直徑風機的氣動噪聲進行研究，用Fluent仿真軟件對原有的模型進行縮放，建立不同直徑下的三維模型，如圖1（b）所示。縮放后的軸流風機模型直徑分別為100 mm、200 mm和400 mm。

圖1　軸流風機模型

對軸流風機的氣動噪聲計算采用FW-H的積分方法，其中邊界條件設置如圖2所示，Z軸垂直于紙面向外。整個計算區域分為靜止區域與滑移區域兩個部分，兩個區域的交界面設置為interface邊界條件，風機外殼、葉片及中心軸均設置為壁面邊界。實驗中氣流沿Z軸反方向進入風機，氣流入口一側設置為壓力入口邊界，氣流出口一側設置為壓力出口邊界，軸流風機旋轉方向如圖2所示。不同的工況條件下，風機旋轉速度分別設置為750 r/min、1 500 r/min和3 000 r/min。為了提高數值模擬的精確度，對整個計算區域用非結構進行網格劃分，整個區域內的最大網格尺寸為2 mm。

圖2　氣動噪聲計算模型

2　旋轉葉片氣動噪聲時域分析

軸流風機葉片旋轉具有周期性，葉片對氣流的激擾同樣具有周期性，因此葉片與氣流作用引起的氣動噪聲分為兩類，一類是與氣流通過頻率有關的噪聲，這種噪聲會在某一特定頻率下出現峰值，稱其為離散噪聲；另一類是與葉片表面的脈動壓力有關的噪聲，由于葉片表面的脈動壓力是一種隨機載荷，這種噪聲并沒有明顯的峰值，在整個頻率范圍內比較均勻，稱其為寬帶噪聲，離散噪聲與寬帶噪聲都屬于面聲源性質的噪聲［7］。Farassat把FW-H方程有關面聲源的方程描述為

式中P為聲壓，ρ0為未經擾動的空氣介質密度，c0為未經擾動的聲速，Vn為運動物體速度在其表面的法向分量，li為物體表面對流體的法向作用力沿xi軸方向的分量。

式（1）右端的第一項為質量移動效應導致的單極子聲源，其影響因素有物面厚度的變化規律以及物體的運動速度Vn，其也被稱為厚度噪聲；第二項為旋轉葉片表面的起伏應力作用在流體上進而產生的偶極子聲源，其受流體與固體表面的非定常作用力pijnj等因素的影響，這種與氣動載荷有關的噪聲有時也被稱為載荷噪聲。

2.1厚度噪聲的聲壓計算公式

預先定義厚度噪聲的聲壓為Pt，根據式（1）得到旋轉葉片厚度噪聲的聲波方程為

解得其時域解［2］為

2.2載荷噪聲的聲壓計算公式

預先定義載荷噪聲的聲壓為P1，根據式（1），可得到旋轉葉片載荷噪聲的聲波方程為

解得其時域解為

3　計算結果分析

通過Fluent數值模擬得到的軸流風機旋轉葉片上的壓強分布計算結果如圖3（a）、圖3（b）所示。

圖3　葉片壓強分布圖

旋轉葉片的最大靜壓力分布在葉片的壓力面（葉片向前推開空氣的葉面）上，壓力面推開葉片運動方向前方的空氣，因為葉片外邊緣的速度較快，推開空氣時的相互作用力大，則靜態壓力主要分布在壓力面的外邊緣且先接觸空氣的區域。而葉片上的脈動壓力主要分布在葉片兩側的外邊緣上，吸力面（壓力面的反面）上的脈動壓力比壓力面上的要大。這是由于旋轉葉片轉過后，葉片后方的氣體填充葉片掃過的區域，而葉片前方的氣體則通過葉片與軸流風機的外壁之間的縫隙流向葉片后方，在葉片后方的邊緣處形成強烈的湍流，并誘發了大量的旋渦，湍流與旋渦使得葉片后方的氣流處于一種高度的動蕩狀態，使得葉片吸力面的外邊緣脈動壓力較大。

軸流風機葉片旋轉時，葉片與氣流作用產生的旋渦在風機周圍的分布情況如圖4所示，旋渦主要集中在軸流風機外壁附近，這些旋渦是由氣流與葉片的外緣相互作用導致的。當轉速在1 500 r/min時，氣流在葉片邊緣形成的旋渦還能在葉片后方的區域內脫落，并發展成可見的旋渦區域。但當轉速增大到3 000 r/min時，旋渦從葉片外邊緣脫落后，來不及進一步向軸流風機的中心軸發展，便被下一時刻旋轉來的葉片阻擋在風機外壁面處，形成的旋渦為片狀分布。

當軸流風機旋轉時，葉片上的湍動能主要分布在靠近氣流入口一側，如圖5所示。

圖4　軸流風機直徑為100 mm時旋渦在風機周圍的分布

圖5　葉片上的湍動能分布

葉片上的表面聲源分布與葉片上的湍動能分布規律很相似。旋轉葉片在旋轉過程中，周期性地排開周圍的氣體，由于葉片靠近氣流入口區域的表面首先接觸空氣，并對空氣產生強烈的擾動，空氣流進軸流風機后，沿葉片表面運動，葉片對氣流的擾動作用逐漸減弱，使得葉片上的噪聲功率也隨之減弱，噪聲功率分布圖如圖6所示。

圖6　葉片上的噪聲功率分布

數值模擬顯示，氣流擾動最劇烈的區域在靠近氣流入口處，這一區域的湍動能高，且產生更強的氣動噪聲。

4　氣動噪聲分析

在軸流風機外布置三個噪聲測點，測量測點處的氣動噪聲值，三個測點的布置如圖7所示，各點離軸流風機幾何中心的距離均為0.5 m。點1布置在氣流入口一側，點2布置在氣流出口一側，點3布置在垂直于氣流的方向上。

三個點的氣動噪聲值與風機半徑的關系如圖8所示，在同一轉速不同半徑工況下，點2處的氣動噪聲值最大，其次是點1、點3處的氣動噪聲值最小。風機半徑增大時，風機的氣動噪聲特性并沒有改變。說明風機半徑的改變并不影響氣動噪聲的傳播特性，只是成比例的增加各點的氣動噪聲值。

圖7　遠場噪聲測點布置

圖8　風機在不同半徑工況下轉速為3 000 r/min時的氣動噪聲值

軸流風機旋轉葉片的氣動噪聲主要沿軸線方向傳播，傳向氣流下游的噪聲比上游大，傳向風機側面的噪聲最小。三個噪聲測點值隨轉速變化關系如圖9所示。在同一半徑工況下，轉速增加，各點的氣動噪聲值增大明顯，且各點處的氣動噪聲按同樣的規律增大。可見軸流風機氣動噪聲隨著風機半徑和轉速的增大而增大。

圖9　半徑為50 mm風機在不同轉速工況下的氣動噪聲值

5　氣動噪聲的諧次分析

文獻［4］指出，風機葉片尾跡的存在，使得風機背部氣體的流動速度和氣體的壓力分布不均勻，由于蝸舌距離蝸殼的間隙較小，這種不均勻的氣流作用在蝸舌上，會導致更強烈的壓力波動，從而形成了關于其通過頻率與其諧波的有效聲輻射。對于葉片間距相等的風機來說，其誘發的氣動噪聲中的離散噪聲的優勢頻率可以通過相應公式進行預測［5］

式中n為葉片的轉速，單位為轉/分，z為葉片數量，i為諧波序號。當i為1時，氣動噪聲對應的頻率為基頻，當i值為2、3…時，氣動噪聲對應的頻率為高階諧頻，與基頻成倍數關系。圖10（a）-圖10（e）分別給出了軸流風機在轉速為750 r/min、1 500 r/min和3 000 r/min下的噪聲頻譜曲線。

當風機半徑為50 mm、轉速為750 r/min時，氣動噪聲第一個峰值出現在60 Hz附近，對應于1階諧頻，第二個主要峰值出現在3 750 Hz附近，對應于60階諧頻，第三個峰值出現在7 300 Hz附近，對應于120階諧頻，以后的峰值均對應于60 i（i=1、2、3）階諧頻。同理，當半徑不變、轉速為1 500 r/min、3 000 r/min時對應的1階諧頻分別位于125 Hz附近和250 Hz附近，則125 Hz和250 Hz分別為軸流風機在1 500 r/min和3 000 r/min轉速下的基頻，以后的優勢頻率分別對應于各自的60 i（i=1、2、3…）階的諧頻。當風機半徑一定，轉速增加時，氣動噪聲的基頻成比例變大，峰值數減少。當風機轉速為3 000 r/min，半徑分別為50 mm、100 mm和200 mm時，氣動噪聲的基頻均是位于250 Hz附近，并沒有明顯變化，峰值數也保持恒定。由此可見，風機轉速不變而半徑增加只影響噪聲的幅值，對噪聲的頻譜規律無明顯影響。

6　結語

針對軸流風機的氣動噪聲問題，建立風機的氣動噪聲模型，并基于FW-H聲波波動方程和FLUENT軟件進行數值模擬分析，得出如下主要結論：

（1）風機葉片旋轉時，作用在葉片上的靜態壓力主要分布在葉片運動方向的前方；而脈動壓力則在旋轉方向的前后方向均有分布，且旋轉方向后方的脈動壓力值大于前方，這是由于葉片尾跡渦流引起的。

（2）軸流風機的氣動噪聲具有指向性規律，噪聲值沿風機軸線方向的下游較強，其次是軸線方向的上游，風機側面的氣動噪聲值最小。

（3）氣動噪聲值隨風機的轉速和半徑增大而增大，風機葉片的轉速影響噪聲的諧次和幅值，而風機半徑只影響幅值，不改變噪聲的頻譜規律。

［1］劉曉良，祁大同，馬健峰，等.改變蝸殼寬度對離心風機氣動噪聲影響的數值計算與試驗研究［J］.西安交通大學學報，2008，42（11）：1429-1434.

［2］張強.氣動聲學基礎［M］.北京：國防工業出版社，2012：1-255.

［3］張亞東，董大偉，閆兵，等.車用交流發電機氣動噪聲試驗研究［J］.噪聲與振動控制，2014，34（3）：107-123.

圖10　軸流風機噪聲頻譜曲線

［4］歐陽華，田杰，吳亞東，等.基于渦聲理論的低速軸流風機氣動噪聲研究［J］.工程熱物理學報，2009，30（5）：765-768.

［5］胡俊偉，丁國良，張春路.空調器室內機氣動噪聲模擬［J］.機械工程學報，2004，40（11）：188-192.

［6］萬劍鋒，楊愛玲.基于相關分析的開式葉輪氣動噪聲的試驗研究［J］.流體機械，2013，41（10）：1-6.

［7］IANG C，CHEN J，CHEN Z.Experimental and numerical study on aeroacoustic sound of axial flow fan in room air conditioner［J］.AppliedAcoustic，2007，68（4）:458-472.

Analysis ofAerodynamic Noise Induced by Rotating Blades of anAxial Fan

SUN Yang-zhi，XIAO Shi-de，XU Xin-kai，PAN Shao-fei

（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

A three-dimensional model of an axial fan for analysis of its aerodynamic noise is built.The Lighthill acoustic analogy theory，FW-H acoustic wave equation and Fluent code are used to analyze the characteristics of the aerodynamic noise induced by the axial fan’s rotating blades.The simulation result shows that the static pressure of the rotating blades is mainly distributed on the forward side of the blades，while the fluctuating pressure is distributed on both sides and mainly concentrated in the outer edge of the blades.This phenomenon is due to the severe air turbulence from the vortexes in the outer edge of the blades.The acoustic power is also distributed in the outer edge of the blades，but its distribution characteristic is different from that of the fluctuating pressure，indicating that the aerodynamic noises of the rotating blades are not all produced by the fluctuating pressure.The aerodynamic noise induced by the rotating blades increases with the increasing of the rotation speed and the diameter of the blades.

acoustics；axial fan；rotating blade；aerodynamic noise；FW-H equation，Fluent software

TH432.1

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.026

1006-1355（2016）04-0124-05

2015-01-16

四川省應用基礎研究資助項目（2014JY0212）

孫揚智（1990-），男，江蘇省淮安市人，在讀碩士，主要研究方向為機械設計與機電控制。E-mail:yangzhisun0220@163.com

通迅作者：肖世德（1967-），男，四川省仁壽人，博士生導師，主要研究方向為機械工程CAD/CAPP/CAM應用開發。