風扇葉片噪聲優化數值分析的研究

徐鵬飛 王 剛 沈芝瑩 王海波 李言亮 郭丹萍

（1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司 淮安 223001 2.徐州市水利建筑設計研究院徐州 221000 3.安徽華邦工程設計有限公司 淮北 235000）

1 研究背景

我國是一個水利大國，水力發電普遍廣泛的存在于日常生活中，水輪機的應用更是普遍。由于水輪機高速旋轉，其中各個部件里面的散熱風扇等產生的噪音也比較高，為了增強產品的體驗感和舒適性，設備工作狀態的降噪措施就顯得很有必要，本文旨在通過數值分析的方法對水輪機裝置里的散熱風扇進行流場分析和降噪處理。

隨著計算機科學及數值分析的快速發展，利用計算流體力學的方法討論流噪聲的分布規律及降噪結構優化逐漸步入學者視線，目前已有部分成功算例，對結構的流噪聲進行優化，該課題擬采用CFD方法結合聲學基本知識對水輪機設備中風扇結構的流噪聲進行分析研究，并通過改變風扇結構使風扇達到降噪的效果。

根據某風扇幾何數據，創建三維幾何模型，外圍建立類似于風洞的通道，為一個圓柱體，其中風洞直徑為800mm，保證了取值在葉片直徑（110mm左右）5D～10D的范圍內，整個風洞入口距離風扇主體設備650mm，出口距離風扇主體設備750mm，從流線圖中可以看出該計算域滿足計算要求。

2 數值分析過程

2.1 物理模型及模擬流程

圖1 切面體的網格分布圖

該分析主要涉及旋轉機械和噪聲分析部分，其中旋轉機械采用mesh motion滑移網格技術實現風扇葉片的轉動模擬，噪聲分析采用Acoustics模型的F-W&H模型對噪聲進行討論，考慮到計算資源結合計算精度，湍流模型采用k-e RNG實現，設置壓力入口，壓力出口，數值相對大氣壓為0，風扇壁面考慮為無滑移壁面。

應用mesh motion對問題進行分析，并檢測風扇葉片表面的靜壓力分布，通過之前試算可以得到當計算到0.5s時風扇葉片表面靜壓力基本穩定，因此此時可以認為計算流場已經消除了初始化的影響，此時在加載噪聲模型，設置噪聲源面和接收點位置坐標，計算0.1s左右，得到噪聲源面和接收點未做坐標的壓力脈動數據，通過FFT轉化則可以得到監測點位置處的噪聲值大小，可以通過顯示葉片表面的壓力脈動云圖來判斷壓力脈動強弱的位置出現在哪里，從而指導進行降噪結構優化分析。

2.2 網格及幾何無關性分析驗證

從計算精度和計算效率兩點出發，需要進行網格無關性分析及外部計算域無關性分析，具體內容如下：

2.2.1 計算求解域

圖2 網格無關性曲線圖

圖3 流線圖

圖4 葉片優化幾何模型圖

圖5 監測點相對位置圖

表1 監測點位置表

表2 優化前后監測點分貝值大小表

根據所提供幾何模型信息，建立類似于風洞的通道，為一個圓柱體，其中風洞直徑為800mm，保證了取值在葉片直徑（110mm左右）5～10D的范圍內，整個風洞入口距離風扇主體設備650mm，出口距離風扇主體設備750mm，從流線圖上可以看出該計算域滿足計算要求。

2.2.2 網格無關性分析

對整個計算域進行網格無關性分析，由于該分析主要注重風扇的流噪聲仿真，因此對風扇周圍的網格進行無關性分析，風扇遠場網格按照經驗劃分的足夠精細，保證能精確捕捉流場信息，劃分了如下尺度的網格，分別為35萬、65萬、113萬、160萬、224萬單元數。根據所劃分網格截取體網格平面可以看出計算域中網格的大致分布情況，基本原則為葉片設備較密，外部較稀疏，如圖1所示。

根據該計算域內不同網格尺度的計算，獲取葉片表面的靜壓力分布的大致平困值，作出X-Y散點圖如圖2，從圖中更可以看出趨勢，葉片表面的面平均靜壓力值隨著網格數量的增大而逐漸增大，并逐漸區域穩定，從圖中可以看出，結合計算耗時，選取網格尺度為113萬或160萬，能夠得到較為精確的結果。

2.2.3 計算域合理性的驗證

從圖3中可以看出風扇影響范圍（流線所在地方）均在計算域圓柱筒風洞之內，因此證明此計算域選取是合理的。通過對網格無關性和幾何結構無關性分析可得出適合于該計算的網格尺度和計算域大小，確定網格尺度為160萬尺度，確定計算域大小為洞直徑為800mm，整個風洞入口距離風扇主體設備650mm，出口距離風扇主體設備750mm。

3 降噪優化分析

通過對原有結構進行仿真分析，可以得到風扇附近的流場分布規律以及壓力分布情況，通過顯示風扇葉片表面的壓力分布可以得到風扇表面壓力脈動較強的地方就出現在葉片外緣倒直角地方。基于該點，對倒角部分作了倒圓角處理，并在相同條件下進行計算，提取數據，得到的檢測點噪聲值較優化前少了10%～30%，該優化風扇葉片方法通過實驗驗證后可以投入使用，另針對通風距離和通風量的研究也要考慮到其中。

周圍空氣由于受到風扇轉動的作用向風扇中心位置聚集，然后由于風扇葉片的推動作用流向風扇吹風方向。從風扇葉片整個壓力脈動監測結果可以看出，整個葉片表面壓力脈動較強的位置出現在葉片外緣倒直角部分的位置處，由此可以判定此處的壓力脈動較強，所以此處為產生噪聲的主要位置，產生的噪聲值也最大。針對以上問題，本文對葉片表面結構進行了優化，具體優化方法為對葉片外邊緣進行倒圓角，倒圓角半徑為0.2mm，葉片優化幾何模型圖如圖4所示。對優化后的模型計算時，選取3個噪聲監測點坐標如表1，在葉片中位置如圖5所示。

通過只改變葉片外緣幾何結構在相同計算模型條件下進行噪聲分析，得出三個監測點如表2，從數據中可以看出，通過改變幾何模型達到了降低風扇葉片噪聲值大小的目的，最高減小率為32.4%，由此可得適當改變葉片結構可以有效降低噪聲。

通過計算可以得出，優化前與優化后對風通量的大小影響較小，以所截取平面內速度的面平均來判定風通量的變化值，比較數據可以得，較優化前風通量降低了3.3%左右，降低值相對于噪聲的降低值可以接受。

4 結論

本文采用數值分析的方法對某葉片的噪聲屬性進行了分析，通過建立三維模型，劃分網格并設置求解計算實現了數值分析方法對于轉動葉片的仿真，并提取了數據結果。基于數據結果，對原有結構進行了改進，并修改三維模型重新劃分網格進行計算。對比優化前優化后的數據結果，證明通過在葉片外緣加倒圓角的形式有利于在保證風通量的情況下減小葉片在相同轉速下的噪聲分貝值，從而達到了降噪的目的。該分析結果能夠為旋轉機械降噪方法的研究提供一定參考