某型空調室外機風機的氣動噪聲數值計算研究

馬麗華

(廣東美的暖通設備有限公司，廣東佛山，528311)

某型空調室外機風機的氣動噪聲數值計算研究

馬麗華

(廣東美的暖通設備有限公司，廣東佛山，528311)

以某型號空調室外機軸流風機為研究對象，利用ANSYS Fluent軟件,預估了風機表面氣動噪聲源的分布并預測了遠場接收點位置噪聲特性。用數值計算的方法預測空調風機的氣動噪聲為空調風機的降噪設計提供參考。對空調系統中其他部件的聲源識別和頻譜特性分析也具有一定的借鑒意義。

軸流風機；氣動噪聲；數值計算

0 引言

隨著人們對生活品質的要求越來越高,在注重室內機噪音的同時對空調室外機的噪音問題的關注也日趨增高。作為空調外機核心部件之一的軸流風機，其產生氣動噪聲也是引起空調室外機噪音的一個重要的噪音源。氣動噪聲數值模擬計算作為噪聲研究的一種輔助手段，能夠可視化、形象化地展示聲源分布以及頻譜特性等特征，為空調風機降噪設計以及改進提供參考依據，并且大大縮短產品設計周期，節省實驗資源，因此越來越受到重視。

1 氣動噪聲基本理論

氣動噪聲主要是由于葉輪旋轉時氣體的非穩定流動而導致的氣體與氣體以及氣體與固體壁面相互作用產生的噪聲。軸流風機的氣動噪聲由旋轉噪聲和渦流噪聲組成。旋轉噪聲又稱為離散噪聲或葉片通過頻率噪聲，是由于葉輪旋轉引起葉片周期性地擾動附近的氣體產生。其頻率如式1：

式中：n---葉輪轉速（rpm）

Z---葉片數

i---諧波序號，i=1時為基頻，i=2,3,4，……時為高次諧音。從噪聲強度來看，基頻最強，其高次諧音的趨勢是逐漸減弱的[1]

渦流噪聲又稱為湍流噪聲或寬頻噪聲，主要由于紊流邊界層、葉尖渦、旋渦脫落等引起的壓力脈動導致，這些壓力脈動呈現出隨機性，在頻譜圖上呈現明顯的連續譜，有很寬的頻率范圍[2]。

2 計算模型及網格劃分

本文所研究的空調室外機中所使用的軸流風機的參數為：葉輪外徑為580 mm，高度為190 mm，葉片數為3，計算模型中保留空調室外機的外殼、導流圈以及電機支架等其主要結構部件，進、出口段適當延長以保證流動的充分發展。仿真模型示意圖,如圖1所示。

鑒于空調室外機中所使用的軸流風機曲面的不規則性以及整個外機流場結構的復雜性，采用結構化網格比較困難，為了降低劃分網格所耗費的時間，因此，整個數值模型采用非結構化四面體網格劃分。整個模型共生成網格數約500萬，其中對風機區域進行局部加密處理，而外圍空間所劃分的網格則相對稀疏。

圖1 仿真模型示意圖

3 邊界及流場計算條件設置

穩態流動分析湍流模型采用Realizable k-e模型，進出口分別采用壓力進口和壓力出口邊界條件，風輪區域設為旋轉區域，采用旋轉坐標系（MRF）模型，給定轉速為850rpm，導流圈及其他結構件給定標準壁面邊界條件。

穩態流動計算穩定之后，將旋轉區域改為滑移網格模型（Mesh Motion）,湍流模型改為大渦模擬模型（LES）進行瞬態流場模擬計算，并將穩態流動計算的結果作為進行瞬態流動模擬的初始條件，時間步長Δt 設定為0.000353s，根據采樣定理[3]可分析的最高頻率約為1416HZ。

4 結果分析

4.1 噪聲源分布計算結果及分析

采用Broadband模型計算噪聲源的分布，計算結束后提取風機表面的聲功率級分布結果，如圖2所示。

從圖2風機表面的氣動噪聲聲功率級分布云圖可以看出，風機表面的氣動聲源主要分布在葉片的前緣、尾緣以及葉頂附近區域。其中葉頂附近的區域對噪聲源的貢獻最大，這是由于葉片的壓力面與吸力面之間存在壓差，使得葉頂附近存在氣流泄露，而葉頂泄露所形成的漩渦脫落所引起的[4]。葉根附近區域的流速比較低,氣流擾動小,因此這一區域附近的聲功率級比較低，對噪聲貢獻度比較小。

由于氣體在吸力面的附面層容易加厚并產生渦流以及渦流脫落而導致渦流噪聲，使得在靠近葉頂區域，吸力面的聲源強度明顯高于壓力面。但因本文中風輪的吸力面采用了特殊的凹圓結構，使得吸力面的凹圓結構區域的聲源強度相對比較小。

風機的前緣附近的分離渦以及靠近尾緣的脫落渦而引起的葉片表面壓力波動是這兩個位置聲源強度較大的原因。本文所涉及的風機獨特的尾緣凹陷結構減弱了尾緣脫落渦引起的噪聲，使得尾緣只在靠近葉頂附近的聲源強度有些大。

圖2 風機表面的氣動噪聲聲功率級分布云圖

4.2 遠場噪聲計算結果及分析

首先利用大渦模擬（LES）模型求解瞬態流場，獲得滿足時間精度要求的壓力脈動值，然后激活FW-H噪聲模型，計算遠場噪聲的產生和傳播。獲取聲音接收點的壓強信號后應用傅里葉變換（FFT）處理，得到遠場接收點的噪聲特性。噪聲源選取風輪，噪聲接收點選在風輪出口正前方1m處。

由公式1可知，本文所模擬的軸流風機的基頻為42.5HZ。圖3截取了軸流風機噪音在0-500HZ的噪聲特性曲線，從圖中可以看出在風機的基頻處峰值最高，同時在與風機的旋轉基頻成倍數關系的頻率點，如85HZ、127.5HZ、170HZ等頻率附近也出現比較高的峰值，并且這些峰值呈現遞減的趨勢，說明接收點位置受葉片旋轉產生的壓力脈動周期性地影響較大，這與理論分析的趨勢一致。

圖3 聲壓級分布圖

5 結論

（1）軸流風機的主要噪聲源位于葉頂附近，同時在吸力面的前緣和靠近葉頂的尾緣也存在較大功率級的聲源分布。

（2）軸流風機接收點處噪音的最高峰值出現在42.5 HZ左右，即風機旋轉的基頻處。在其倍頻處也出現較明顯的峰值，且呈遞減趨勢。

（3）軸流風機的仿真分析結果與理論分析的結果保持一致，為風機優化設計和噪聲控制提供了理論依據。同時該方法對于空調系統中其他部件的聲源識別和頻譜分析也具有一定的參考價值。

[1]智乃剛，肖濱詩.風機噪聲控制技術[M].北京:機械工業出版社，1985，99～103.

[2]張瑜.貫流風機內流及氣動噪聲分析[D].武漢:華中科技大學圖書館，2007:21～22 .

[3]王興雙.空調器室外機流場數值模擬及其軸流風扇噪聲預估[D].武漢:華中科技大學圖書館，2011:21～22.

[4]仲惟燕，高峰.空調室外機軸流風機全流場數值模擬[J].流體機械，2012，40（4），78～80.

Numerical Study on Aerodynamic Noise of Air-Conditioner Outdoor Fan

Ma Lihua
(GD Midea Heating&Ventilating Equipment Co.,Ltd,Foshan Guangdong,528311)

By applying an air conditioner outdoor fan as an example,the ANSYS Fluent software is used to estimate the distribution of aerodynamic noise sources on the surface of the fan and to predict the noise characteristics of the far-field receiving point. It is useful to use the numerical method to predict the aerodynamic noise of the air conditioning fan to provide reference for the noise reduction design of the air condition fan.It also has some reference for the sound source identification and spectrum characteristic analysis of other components in the air conditioning system.

Axial fan; Aerodynamic noise; Numerical analysis