洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

金開(kāi)，趙增耀，陳文斐，楊含笑，劉家嫵，孫寧輝

（陜西汽車(chē)控股集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

前言

隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)環(huán)境污染的容忍度愈發(fā)降低，噪聲污染嚴(yán)重影響居民的生活品質(zhì)。洗掃車(chē)作為一種廣泛使用的環(huán)衛(wèi)機(jī)械，更應(yīng)該適應(yīng)市場(chǎng)不斷提高的污染控制環(huán)保指標(biāo)。

風(fēng)機(jī)是洗掃車(chē)氣力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，也是主要噪聲源，其氣動(dòng)噪聲對(duì)洗掃車(chē)整車(chē)作業(yè)性能具有重要的影響。某型洗掃車(chē)作業(yè)噪聲超標(biāo)，如何降低風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲成為亟待解決的問(wèn)題。

目前，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在許多工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。運(yùn)用 CFD 方法對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，已經(jīng)逐漸成為一種重要的技術(shù)手段。

本論文將從數(shù)值分析的角度，利用 ANSYS Fluent軟件，研究洗掃車(chē)專(zhuān)用離心風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)機(jī)性能及噪聲的影響，同時(shí)對(duì)數(shù)值分析的可靠性、準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證，以期達(dá)到降低風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的目的。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何結(jié)構(gòu)

目前，洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)大多為前向離心風(fēng)機(jī)。前向式風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是風(fēng)壓高，當(dāng)產(chǎn)生相同風(fēng)壓時(shí)，可以有較低的葉輪外徑或較低的轉(zhuǎn)速。前向離心風(fēng)機(jī)的葉片彎曲程度較大，同時(shí)流道比較短，因此，在葉片出口端，易出現(xiàn)的“射流-尾跡”流動(dòng)形態(tài)以及二次流動(dòng)、脫體渦等現(xiàn)象，造成流體能量損失，引起振動(dòng)，產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲。后向離心風(fēng)機(jī)的葉片彎曲度較小，并且流道比較長(zhǎng)，流體在葉輪出口絕對(duì)速度小，因此，流體能量損失小、效率高、噪聲低，但后向風(fēng)機(jī)風(fēng)壓較小，產(chǎn)生相同的風(fēng)壓時(shí)，需要較大的葉輪外徑或較高的轉(zhuǎn)速。

研究的某型號(hào)洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)為離心式前向風(fēng)機(jī)(原始結(jié)構(gòu))，其主要結(jié)構(gòu)如圖 l（a）所示。在不改變?nèi)~片進(jìn)、出口角度，葉片長(zhǎng)度、寬度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，將葉片由向前彎曲改為向后彎曲，如圖l（b）所示。

圖1 葉輪結(jié)構(gòu)圖

1.2 網(wǎng)格劃分

圖2 計(jì)算域網(wǎng)格

采用三維建模軟件 CATIA進(jìn)行實(shí)體建模，運(yùn)用hypermesh軟件劃分網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時(shí)，將整個(gè)計(jì)算域分為進(jìn)口延長(zhǎng)段、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域和出口延長(zhǎng)段五個(gè)部分，其中進(jìn)口延長(zhǎng)段為進(jìn)口直徑的5倍，出口延長(zhǎng)段為出口直徑的10倍，以使湍流充分發(fā)展。考慮到進(jìn)口延長(zhǎng)段和出口延長(zhǎng)段幾何結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，采用六面體進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分計(jì)算域，以提高計(jì)算精度，縮短數(shù)值求解時(shí)間；為適應(yīng)葉輪及蝸殼內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生劃分葉輪及蝸殼計(jì)算域，以提高網(wǎng)格適應(yīng)性。考慮到蝸舌區(qū)域?qū)︼L(fēng)機(jī)性能至關(guān)重要，對(duì)蝸舌壁面附近的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理。模型各計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)分別為：進(jìn)口區(qū)域14萬(wàn)，葉輪區(qū)域45萬(wàn)，蝸殼區(qū)域38萬(wàn)，出口區(qū)域16萬(wàn)，總網(wǎng)格數(shù)量113萬(wàn)。將在hypermesh中建立的三維網(wǎng)格模型以.cas的文件格式輸出，然后導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行計(jì)算求解。

1.3 控制方程及湍流模型

洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)是三維黏性不可壓縮流動(dòng)，遵循物理守恒定律，控制方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

連續(xù)性方程為：

動(dòng)量方程為：

式中：p為壓力，V為速度，ρ為密度，μ為湍流黏性系數(shù)。動(dòng)量方程左端代表單位體積流體的慣性力，右端第一項(xiàng)表示單位體積流體的質(zhì)量，第二項(xiàng)表示單位體積流體的壓力梯度，第三項(xiàng)代表黏性變形應(yīng)力，第四項(xiàng)代表黏性膨脹應(yīng)力。

采用雷諾時(shí)均NS方法（RANS）求解控制方程。RANS方法是工業(yè)流動(dòng)計(jì)算中使用最廣泛的一種方法，其求解時(shí)間均值的NS方程。選用RNGk-ε湍流模型，該模型適于求解曲率較大、較強(qiáng)壓力梯度、分離流、二次流以及旋流等復(fù)雜流動(dòng)。

考慮到 RNGk-ε湍流模型是高雷諾數(shù)湍流模型，對(duì)于充分發(fā)展的湍流才有效。在臨近壁面的位置，法向速度存在非常大的速度梯度，流體黏性力的作用與慣性力相當(dāng)，流動(dòng)雷諾數(shù)較低，所以高雷諾數(shù)湍流模型不能直接適用于近壁面附近區(qū)域的流場(chǎng)計(jì)算。針對(duì)近壁面流動(dòng)區(qū)域，使用增強(qiáng)壁面函數(shù)處理。

FW-H噪聲計(jì)算模型屬于聲源與聲傳播分離計(jì)算方法，假定聲源已知，將流體流動(dòng)與流體聲傳播分離計(jì)算，忽略流體流動(dòng)與聲傳播之間的相互作用。采用定常計(jì)算流場(chǎng)解為非定常流場(chǎng)計(jì)算的初始條件，以非定常流場(chǎng)分布為基礎(chǔ)計(jì)算風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)。

1.4 邊界條件與算法

定常計(jì)算時(shí)采用“多重坐標(biāo)系”(MRF)模型耦合動(dòng)靜部分區(qū)域，即葉輪區(qū)域?yàn)樾D(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，流體給定相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)速度；其余區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域，采用靜止坐標(biāo)系。定義所有的葉片表面，葉輪前、后盤(pán)面為旋轉(zhuǎn)壁面，給定相對(duì)葉輪計(jì)算域旋轉(zhuǎn)速度為零；定義蝸殼壁面、進(jìn)出口區(qū)域壁面為靜止壁面；旋轉(zhuǎn)壁面和靜止壁面均滿足無(wú)滑移邊界條件。定義進(jìn)口延長(zhǎng)段的進(jìn)口截面為整個(gè)計(jì)算域的進(jìn)口，設(shè)定進(jìn)口速度 25m/s；出口延長(zhǎng)段的出口截面為整個(gè)計(jì)算域的出口，設(shè)定出口靜壓力為一個(gè)大氣壓。

數(shù)值離散方法采用有限體積法，壓力-速度耦合關(guān)系采用SIMPLE算法，湍動(dòng)能、耗散率、動(dòng)量方程的離散采用二階迎風(fēng)格式。

作定常計(jì)算，取殘差小于1×10-4時(shí)認(rèn)為計(jì)算收斂，然后將定常計(jì)算的結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始化數(shù)據(jù)，進(jìn)行非定常計(jì)算。非定常計(jì)算采用“滑移網(wǎng)格”(moving mesh)模型耦合動(dòng)靜部分區(qū)域。葉片在葉輪內(nèi)沿圓周均勻分布，且轉(zhuǎn)速恒定，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.002s。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

對(duì)洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)原始在不同工況下的P-Q特性進(jìn)行數(shù)值預(yù)測(cè)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如圖3所示。

圖3 數(shù)值與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

從圖中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果的與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一致，吻合良好，全壓平均誤差在 14%左右，計(jì)算精度符合工程要求，較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能，為后續(xù)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲分析奠定了基礎(chǔ)。

2.2 流場(chǎng)對(duì)比分析

分別對(duì)原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)在額定工況下（轉(zhuǎn)速2200rev/min）的氣動(dòng)性能進(jìn)行計(jì)算。截取葉輪中面的壓力云圖，如圖4所示；流線圖，如圖5所示；渦核云圖，如圖6所示。

圖4 葉輪中截面靜壓云圖

圖5 葉輪中截面流線圖

圖6 葉輪中截面渦核圖

由圖4靜壓云圖可知，葉片壓力面呈現(xiàn)高靜壓狀態(tài)，吸力面呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)。壓力面對(duì)氣體做功，向外輸送氣流，吸力面因氣流外流而形成真空，外界空氣在大氣壓的作用下流入葉輪。葉輪內(nèi)部的壓力分布正是風(fēng)機(jī)工作原理的體現(xiàn)。蝸舌附近出現(xiàn)低壓渦流區(qū)，說(shuō)明蝸舌對(duì)氣流產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，形成漩渦，圖5蝸殼附近的流線分布也說(shuō)明這一點(diǎn)。

原始結(jié)構(gòu)流線圖中，葉輪出口氣流加速，說(shuō)明出口存在回流，堵塞流道，使得專(zhuān)用風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能降低；原始結(jié)構(gòu)中，葉片壓力面出口附近，存在高速的射流結(jié)構(gòu)，而在吸力出口面附近，出現(xiàn)速度較小的尾流區(qū)，葉片出口端形成脫體渦。漩渦區(qū)的存在造成內(nèi)流通道有效流通面積狹窄，形成嚴(yán)重氣流堵塞和壓力脈動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的流動(dòng)損失。改進(jìn)結(jié)構(gòu)葉輪流道無(wú)明顯“射流-尾流”結(jié)構(gòu)存在，絕大部分流道的流線緊貼葉片表面流動(dòng)，流線分布均勻，流場(chǎng)順暢。

由圖6可以看到，原始結(jié)構(gòu)葉片流道渦核分布極不均勻：蝸舌附近的葉片流道充滿了漩渦，堵塞流道，其它流道零散分布著渦核，同時(shí)，渦流幾乎占據(jù)了全部的蝸殼流域。優(yōu)化結(jié)構(gòu)葉輪流域的漩渦基本都分布在葉片壓力面上，整體布局均勻，不存在明顯的局部堵塞區(qū)域，優(yōu)化后的葉輪氣動(dòng)性能優(yōu)于原始葉輪。

2.3 氣動(dòng)噪聲對(duì)比分析

以額定工況下風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的定常解為初始條件計(jì)算風(fēng)機(jī)非定常流場(chǎng)分布，以此為前提，結(jié)合F-WH聲比擬模型計(jì)算風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲，取距離蝸殼一米處為噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。用快速傅里葉變換（FFT）將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域信息轉(zhuǎn)換成頻率特性，對(duì)比分析原始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲，見(jiàn)圖8、圖9。

圖7 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)

由圖8、9可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)連續(xù)分布在寬闊的頻率范圍內(nèi)，體現(xiàn)渦流噪聲的特點(diǎn)。渦流噪聲是由于葉片表面邊界層脫離，產(chǎn)生的流動(dòng)壓縮和稀疏，以聲波的形式傳播而形成，這些渦流不論是在葉輪流域或蝸殼流域都是無(wú)規(guī)則的產(chǎn)生、發(fā)展和衰減，因此渦流噪聲具有廣泛的頻率帶。

圖8 原始結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)曲線

蝸舌與葉片出口邊緣間的間隙較小，旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠過(guò)蝸舌處時(shí)，會(huì)出現(xiàn)周期性的壓力脈動(dòng)，繼而產(chǎn)生與葉輪轉(zhuǎn)速有關(guān)的離散噪聲。原始結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)風(fēng)機(jī)的噪聲最大值都出現(xiàn)在102Hz處，說(shuō)明此頻率是與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)的離散噪聲頻率。噪聲峰值的出現(xiàn)正是離散噪聲與渦流噪聲疊加的結(jié)果。優(yōu)化后的風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲峰值較原風(fēng)機(jī)由106dB下降到99dB，降噪幅度達(dá)到8.5%，實(shí)現(xiàn)了洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)降噪目標(biāo)。

洗掃車(chē)風(fēng)機(jī)依靠進(jìn)氣流速和吸力吸取路面灰塵、垃圾，而風(fēng)機(jī)出口氣流直接排入大氣，因此，洗掃車(chē)對(duì)風(fēng)機(jī)的性能需求主要體現(xiàn)在效率和流量上，而對(duì)風(fēng)機(jī)全壓要求相對(duì)不高，所以低壓、高效、低噪的后向離心風(fēng)機(jī)更適合洗掃車(chē)。

3 結(jié)論

通過(guò)建立洗掃車(chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)三維模型，運(yùn)用商用軟件ANSYS Fluent對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維流場(chǎng)瞬態(tài)數(shù)值計(jì)算，對(duì)比分析了原始風(fēng)機(jī)與優(yōu)化風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)分布和氣動(dòng)噪聲等級(jí)，得出以下結(jié)論：

（1）葉片彎曲方向?qū)ο磼哕?chē)專(zhuān)用風(fēng)機(jī)性能有較大的影響，相比前向離心風(fēng)機(jī)，后向風(fēng)機(jī)葉輪流道的“射流-尾跡”流動(dòng)結(jié)構(gòu)顯著減小，絕大部分流道的流線緊貼葉片表面流動(dòng)，流線分布均勻，流場(chǎng)順暢。

（2）在葉輪外徑以及葉片長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)相同的前提下，后向離心風(fēng)機(jī)較前向風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲小，流場(chǎng)更均勻，效率更高。洗掃車(chē)風(fēng)機(jī)更加關(guān)注效率和流量，而對(duì)全壓要求相對(duì)不高，因此，后向離心風(fēng)機(jī)能更好的適應(yīng)洗掃車(chē)工況。

（3）利用商用CFD軟件仿真模擬能達(dá)到工程實(shí)踐要求的計(jì)算精度，可以替代某些實(shí)驗(yàn)，極大地縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。