采用仿鸮翼葉片降低空調用離心風機 氣動噪聲的研究

王夢豪,吳立明,劉小民,馬列,李金波

(1.西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安; 2.廣東美的制冷設備有限公司,528311,廣東佛山)

窗式空調器因其結構簡單、生產成本低、價格便宜、安裝方便等優點,具有廣泛的應用前景和較高的市場占有率。在空調外觀和性能改進的同時,噪聲逐漸成為人們關注的熱點問題,因此開展窗式空調器的降噪技術研究具有十分重要的實際應用價值。

窗式空調器的噪聲主要由機械噪聲、電磁噪聲、氣動噪聲組成,其中氣動噪聲占比最大,因此風道系統的噪聲成為空調降噪的重點研究對象。風道系統主要由蝸殼和葉輪組成,單純對于窗式空調風道系統的降噪研究較少,但對于離心風機的降噪問題具有較為廣泛的研究。風機降噪主要著眼于蝸殼、蝸舌部位,主要改進措施有傾斜蝸殼[1]、階梯蝸殼[2]、多孔蝸舌[3]、仿鸮翼前緣蝸舌[4]、內凹式蝸舌[5]。葉輪是風機中的旋轉部件,對風機的能量傳遞起著重要作用,也是重要的噪聲來源。Lin等采用標準NACA4412翼型葉片對筆記本電腦冷卻風扇的葉片葉型進行了改進設計,選用新的翼型減弱了吸力面的流動分離,性能方面表現為風機效率提升和噪聲降低[6];羅嘉陶等選用CW-1和C-4這2種翼型,采用數值模擬的方法研究不同翼型對風機性能的影響,研究結果表明CW-1翼型表面更加符合氣流流動,可以獲得更大的風量和風壓[7];吳大轉等對葉片分布方式進行了數值研究,發現葉片不等距分布可以降低葉片通過頻率處的噪聲,將基頻處的噪聲峰值分布到附近頻率上[8];焦碩博等比較了直葉片和傾斜葉片對風機性能的影響,發現傾斜葉片較直葉片可改善葉輪葉道內的流動,在葉輪前盤側外徑較小時可降低風機噪聲[9];Heo等對于冰箱用離心風機采用傾斜尾緣S型葉片設計進行降噪處理,通過試驗驗證噪聲可降低2.2 dB[10]。近年來仿生技術的發展與應用給風機性能提升和噪聲降低提供了新的思路與方法,國內外研究者們對自然界鳥類飛行的低噪特性進行了研究,認為鳥類翅膀翼型結構、前尾緣非光滑結構和羽毛結構是降噪的主要特征元素[11-13]。

本文提取具有低噪特性的長耳鸮翅膀40%展向位置處的翼型結構,以某型號窗式空調用離心風機為研究對象,采用數值模擬的方法研究仿鸮翼翼型按照不同中弧線的優化設計方案對離心風機噪聲性能的影響,通過試驗驗證數值計算模型和優化設計的有效性,對其降噪效果進行可視化分析。

1 仿鸮翼翼型提取與重構

長耳鸮在8 m/s的飛行速度下可實現無聲撲食,此速度與空調用離心風機進口的氣流速度處于相同的水平量級上,因此選擇具有靜音飛行特點的長耳鸮作為仿生對象。根據廖庚華建立的長耳鸮翅膀結構[14],提取氣動性能優良和低噪聲特性的翅膀40%展向截面處翼型結構,將其應用于風機葉片的改型設計中。

翼型型線通過中弧線和厚度的關系得到,相應的型線控制方程如下

zu=zc+zt

(1)

zl=zc-zt

(2)

式中:zu、zl分別為翼型某弦向截面上表面型線、下表面型線分布坐標;zc為翼型某弦向截面的中弧線分布坐標,zt為翼型某弦向截面的厚度分布坐標。zc和zt的計算公式如下

(3)

(4)

式中:c為翼型某弦向截面的弦長;x為翼型某弦向截面的弦向坐標,η=x/c為翼型某弦向截面的弦坐標比;zc,max為翼型某弦向截面的最大弧度坐標;Sm(m=1,2,3)為描述翼型的多項式系數;zt,max為翼型某弦向截面的最大厚度;An(n=1,2,3,4)為描述翼型的多項式系數;zc,max和zt,max關系式如下

(5)

(6)

式中:ξ為翼型展向比,取ξ=0.4。Sm和An是通過最小二乘法擬合得到的多項式系數,其中S1=3.936 2,S2=-0.770 5,S3=0.848 5,A1=-29.486 1,A2=66.456 5,A3=-59.806,A4=19.043 9。

根據上述各式,提取長耳鸮翅膀沿展向40%截面位置處的翼型結構,得到翼型上下表面型線的相對坐標,根據翼型坐標點繪制的仿鸮翼翼型如圖1所示。

圖1 仿鸮翼翼型

2 數值計算方法

2.1 物理模型

窗式空調器室內側風道系統主要由蝸殼和葉輪組成,其結構如圖2所示。

(a)蝸殼

(b)葉輪圖2 空調室內側風道模型

根據風道系統結構對流體區域進行三維建模,流體區域主要分為進口區、葉輪區、蝸殼區,其中進口向上游延伸0.5倍葉輪外徑,出口向下游延伸1.0倍葉輪外徑。對計算域進行非結構網格化劃分,在葉輪葉片前尾緣和蝸舌區域進行局部網格加密,固體近壁面第一層網格y+保持在30～100以滿足本文采用的湍流模型以及壁面函數對網格的要求。為保證數值計算的準確性和有效性,對網格進行無關性驗證,最終的網格布置方案為:進口區網格79萬,葉輪區域網格153萬,蝸殼區域網格172萬,網格總數共計404萬。

2.2 流場計算

2.2.1 定常計算 采用商業軟件ANSYS Fluent對其內部流場進行數值計算,控制方程為Navier-Stokes方程,湍流計算采用Realizablek-ε模型,近壁方程采用標準壁面函數,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,壓力離散格式采用PRESTO!格式,動量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二階迎風格式,計算收斂殘差設置為10-4。進出口均給定壓力邊界條件,進口邊界總壓為101 325 Pa,出口靜壓為101 325 Pa。蝸殼區和風機葉輪進口區設置為靜止區域,葉輪區設置為旋轉區域,采用Frame Motion模型,設定旋轉區域轉速為1 500 r/min。

2.2.2 非定常計算 以定常計算的收斂解作為初始值進行非定常計算,時間項選用二階隱式格式,葉輪區為旋轉區域,非定常計算改用Mesh Motion模型,時間步長由下式確定

(7)

式中:K為每一個時間步內的最大迭代步數,取K=30;v為葉輪轉速,v=1 500 r/min;Z為葉輪葉片數,Z=11。

根據式(7)的計算,本文非定常計算過程中時間步長取為1.21×10-4s,葉輪旋轉5周,監控變量的計算結果出現明顯的周期性變化,表明風機內流達到了穩定流動狀態。

2.2.3 噪聲計算 將非定常計算得到穩定流場作為FW-H聲學方程的輸入條件,并設置噪聲源和噪聲接收點,再進行葉輪旋轉5周的瞬態計算。由于Fluent軟件中采用積分解法對遠場噪聲進行計算,不需要對流場建立額外的聲學網格,所以在設置噪聲源和接收點時,噪聲源設置為蝸殼和葉輪壁面,并按照《GB/T 7725—2004房間空氣調節器》中窗式空調器室內規定的測試點設置噪聲接收點,以便和試驗進行對比,根據建立的坐標系最終接收點坐標設置為(-40.32 mm,8.01 mm,1 110.6 mm)。

聲場計算完成后,通過快速傅里葉變換可得到噪聲計算的頻譜圖。葉片的通過頻率可以按下式計算

(8)

式中:I為諧波序號(I=1時為基頻)。通過式(8)計算得到的風機基頻為275 Hz,波長為1.236 4 m。由于波長遠大于風機的特征尺寸,因此噪聲計算中蝸殼和葉輪之間噪聲的反射、衍射和散射作用可以忽略不計。

3 試驗測試

3.1 氣動性能測試

氣動性能測試按照《GB/T 1236—2000工業通風機用標準化風道進行性能試驗》進行,采用B型試驗裝置,系統主要由試驗風機、輔助風機、噴嘴、溫度傳感器、差壓變送器以及數據采集系統組成。通過上述裝置及儀器,選取適合試驗的噴嘴直徑,經數據采集系統處理得到風機流量。試驗中去除出口格柵、除塵網、蒸發器等部件,只保留風機部分,目的是便于與數值計算比較。

3.2 噪聲測試

噪聲測試在專業半消音室中進行,實驗室本底噪聲為17.0 dB。采用B&K 4189型聲壓傳感器測量聲壓,通過B&K 2669型前置放大器,傳送至LMS SCADAS Mobile SCM01數據采集系統,采集信號通過LMS Test.Xpress 7A振動噪聲分析軟件進行處理。試驗前采用B&K 4231型聲學校準器對聲壓傳感器進行校準,待運行穩定后進行測試,測試精度為±0.2 dB。試驗裝置滿足《GB/T 7725—2004房間空氣調節器》規定,試驗噪聲測試點按照標準進行測量,即距離空調前表面和基準地面1 m,與噪聲計算的接收點相同。

3.3 試驗測試與數值計算對比驗證

風機試驗是在空調整機去除出口格柵、除塵網、蒸發器的情況下進行的,通過前期試驗測試發現出口柵格、除塵網、蒸發器等空調部件對噪聲影響不大,因此在數值模擬時只對單純風機進行數值計算,這樣可以簡化計算模型,節省計算時間,同時可達到噪聲預測的目的。表1是風機試驗測試和數值計算的對比結果,從中可以看出,數值計算結果的相對誤差均在5%以內,表明本文計算方法可靠,可以準確模擬風機的風量和噪聲。

表1 風機試驗測試和數值計算的對比結果

4 仿鸮翼葉片的應用

長耳鸮翅膀40%截面翼型存在其特有的中弧線,因此翼型在風機葉型的改進中就存在多種應用方式,可以按照常規的單圓弧中弧線分布,也可以按照其自身的翼型中弧線進行分布。本文根據提取的仿鸮翼翼型,分別按照原型葉片的中弧線、單圓弧中弧線、翼型中弧線進行仿鸮翼翼型的布置,又因為葉片進出口安裝角同中弧線的固有關系,按翼型中弧線分布為保證其原有的中弧線型線,分別確保葉片的進口安裝角β1和出口安裝角β2同原型葉片相同,因此共有4種不同的翼型布置方式。表2給出了原型和仿鸮翼葉輪葉片進出口安裝角參數，圖3給出了不同的中弧線和葉型分布圖。模型1、2、3、4分別是仿鸮翼翼型按照原型中弧線、單圓弧中弧線、進口安裝角同原型相同的翼型中弧線、出口安裝角同原型相同的翼型中弧線進行布置的葉輪。

(a)4種中弧線分布

(b)原型和4種仿鸮翼葉片的葉型分布圖3 中弧線和葉型不同型式分布圖

表2 原型和仿鸮翼葉輪葉片進出口安裝角參數

采用數值計算的方法分別計算4種應用仿鸮翼葉片風機的風量和噪聲。為了保證計算結果的可比性,4種不同的仿鸮翼葉片風機采用相同的計算模型、網格劃分和計算方法,具體計算結果見表3。

表3 原型和4種仿鸮翼葉片風機的數值計算結果

分析表3可知,仿鸮翼翼型不同的應用方式對風機氣動性能和噪聲產生不同的效果。與原型風機相比,仿鸮翼翼型按照葉片進口安裝角同原型相同的中弧線分布的風機,風量增加了13 m3/h,但同時噪聲也增加0.4 dB;仿鸮翼翼型按照原型中弧線、單圓弧中弧線和葉片出口角同原型相同的中弧線分布的風機,在保持風量基本不變的情況下,噪聲均有不同程度的降低,其中仿鸮翼翼型按單圓弧中弧線分布時噪聲降低程度最大,與原型噪聲相比可降低1.7 dB。由此可以看出,將仿鸮翼翼型優化設計應用于離心風機中,在保證風機氣動性能的同時可較大程度地降低風機的氣動噪聲。

5 試驗結果及降噪分析

5.1 試驗結果

在數值計算的基礎上,采用試驗測試的方法對計算結果進行比較驗證。采用ABS材料對最佳降噪效果的仿鸮翼葉輪,即對仿鸮翼翼型按照單圓弧中弧線分布的葉輪進行手板加工。保持與原型葉輪同樣的材料,從而忽略材料對風機性能和噪聲的影響。圖4為原型葉輪和仿鸮翼葉輪實物。

(a)原型葉輪 (b)仿鸮翼葉輪圖4 原型葉輪和仿鸮翼葉輪實物

表4是原型和仿鸮翼葉片風機試驗測試、數值計算結果的比較。由表4可以看出,采用仿鸮翼葉片的風機試驗測試和數值計算都表現出在風機風量基本不變的情況下噪聲有明顯的下降。與試驗測試相比,數值計算的結果顯示仿鸮翼葉片風機的風量和試驗測量風量差距較小,相對誤差為1.7%,而噪聲的相對誤差為3.4%。在工程允許的誤差范圍內,本文的數值計算能夠滿足對噪聲進行定量預測的要求。通過試驗驗證,仿鸮翼翼型葉片的使用可以降低風機噪聲1.3 dB,表現出良好的降噪效果。

表4 風機試驗測試和數值計算的對比結果

5.2 內流及噪聲分析

以具有最佳降噪效果的仿鸮翼翼型設計及應用為例,與原型離心風機比較,分析其內部流動特性及降噪機理。

圖5給出了原型葉輪與仿鸮翼葉輪在85%葉高截面的流線圖。原型葉輪和仿鸮翼葉輪在蝸殼出口處流動狀況良好,流動基本一致,但帶有仿鸮翼葉片的風機葉輪區域流動可以更好地附著葉片表面,有利于流體流動的穩定性。在蝸殼內部的葉輪區域,與原型葉片相比,仿鸮翼葉輪流動表現更優,在葉片吸力面低速區域減少,流動分離減弱,抑制了渦流的產生和發展,宏觀方面表現為風機寬頻噪聲的降低。

(a)原型葉輪 (b)仿鸮翼葉輪圖5 原型葉輪與仿鸮翼葉輪85%葉高截面流線圖

圖6給出了以蝸殼和葉輪為噪聲源在接收點處的噪聲頻譜圖。風機葉片的通過頻率為275 Hz,與圖6中計算的旋轉頻率基本一致,噪聲隨頻率呈現出明顯的周期性,在基頻和倍頻處噪聲出現明顯的峰值,與理論分析一致。從圖6中可以看出,采用仿鸮翼葉片的風機在各個頻率處噪聲分布基本都低于原型葉片風機,基頻和倍頻處峰值也低于原型風機,其中275、1 375、3 025 Hz處噪聲峰值分別降低1.0、2.2、3.7 dB,最終數值計算結果為噪聲降低了1.7 dB,表明采用仿鸮翼葉片的風機具有良好的低噪聲特性。

采用1/3倍頻程頻譜分析可以更加明確地反映噪聲源的頻譜特性,圖7給出了原型風機與仿鸮翼翼型葉片風機A聲級1/3倍頻程頻譜圖。與原型風機相比,帶有仿鸮翼翼型葉片的風機在整個頻段噪聲都有所降低,結合圖6可以看出,帶有仿鸮翼翼型葉片的風機在600 Hz之后的頻率上噪聲降低更為明顯,這與鸮類在中低頻率段產生低噪聲飛行的特征是一致的。同時,離心風機寬頻噪聲和離散噪聲都有所降低,表明采用仿鸮翼翼型葉片對于流動分離引起的渦流噪聲和葉片與蝸舌之間非定常相互作用引起的旋轉噪聲都有較為明顯的改善作用。

圖6 原型與仿鸮翼翼型葉片風機噪聲頻譜圖

圖7 原型與仿鸮翼翼型葉片風機A聲級1/3倍頻程頻譜圖

聲壓脈動時均值[15-16],即靜態壓力對時間偏導的均方根值,可直接反映聲源區域并清楚顯示各部位對噪聲的貢獻值。圖8給出了原型和仿鸮翼翼型葉片風機葉輪表面聲壓脈動時均值分布圖。由于葉輪是開式葉輪,且集流器出口比葉輪內徑大,因此軸向進氣對葉輪前盤端部沖擊較大,又因為氣流在軸向轉徑向的過程中,葉片前緣受到氣流沖擊較大,在圖8中表現為葉輪前盤端部和葉片前緣壓力脈動值較大,對噪聲貢獻較多。對比原型葉片和仿鸮翼翼型葉片,可以發現仿鸮翼葉片的使用可以減輕葉片前緣的壓力脈動,其前緣結構可使氣流更加平穩地經軸向轉徑向從而進入葉輪流道,有效抑制前緣區域壓力脈動產生的噪聲。圖9給出了原型和仿鸮翼翼型葉片風機蝸殼蝸舌處聲壓脈動時均值分布圖,可見采用仿鸮翼翼型葉片有效降低了蝸殼、蝸舌部位處的壓力脈動,局部壓力脈動劇烈的區域減小,減弱了葉片與蝸舌之間的非定常作用,在圖6噪聲頻譜圖上表現為基頻和倍頻峰值的降低。

(a)原型風機葉輪 (b)仿鸮翼翼型葉片風機葉輪圖8 風機葉輪表面聲壓脈動時均值分布圖

(a)原型風機 (b)仿鸮翼翼型葉片風機圖9 風機蝸殼蝸舌處聲壓脈動時均值分布圖

6 結 論

基于仿生降噪原理對窗式空調器用離心風機葉片進行仿生重構設計,采用數值計算和實驗測試方法研究了仿鸮翼翼型葉片對風機氣動噪聲的影響,獲得的主要結論如下。

(1)4種不同的仿鸮翼翼型分布中,翼型按單圓弧中弧線分布的風機在保證風量的同時降噪效果最為明顯,試驗驗證可降低1.3 dB。

(2)分析最佳降噪效果的仿鸮翼葉片風機,采用仿生翼型葉片可減少葉輪流道內的低速分離區域,抑制渦流的產生和發展。翼型前緣結構可使氣流更加平穩地經軸向轉徑向,降低葉片前緣的壓力脈動幅值,有效抑制前緣區域壓力脈動產生的噪聲,減弱葉輪與蝸舌、蝸殼間的非定常相互作用,從而有效降低離心風機產生的寬頻噪聲和離散噪聲。

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