船用柴油機增壓器壓氣機高效工況氣動噪聲預測

戴 武

渤海船舶職業學院 遼寧葫蘆島 125005

隨著船用柴油機渦輪增壓器壓氣機工作范圍不斷拓展，壓比和流量日益提高，噪聲問題也日益突出，有必要對船用增壓器壓氣機的噪聲進行深入研究。

1 增壓器氣動噪聲理論研究

本文主要從離散噪聲和寬頻噪聲兩方面進行了歸納總結。（1）離散噪聲。工作葉輪與葉片擴壓器或蝸殼互相作用，以及旋轉的葉輪與空氣周期性相互作用，使得旋轉機械內部流場的靜壓周期性變化，由此產生噪聲，被稱為離散噪聲。當葉片旋轉時，工作輪每一個葉片便會周期性通過一個固定點，此時便會產生周期性的脈動壓力。此壓力脈沖周期與在單位時間該點的葉片通過數目成反比，當對此脈動壓力進行傅立葉變換后，可以將連續不斷的壓力分解成一個定值的壓力和一系列以葉片通過頻率為基頻的正弦壓力的和，其壓力脈動強度夠大，且其頻率在2-20000Hz范圍內離散噪聲主要包括葉輪旋轉的動靜轉子干涉噪聲和自身噪聲，通常由葉片與空氣周期性互相作用等原因引起，并且與葉片通過頻率和其諧次有關。1970年，Lowson推導由運動的點源產生噪聲的計算公式，該方法將葉片離散成微元體，然后求解葉片微元上的積分，從而預測運動點源產生的聲場。但是葉片的離散是十分困難的，特別是風機或壓氣機葉片在空間上是扭曲的，因此在噪聲計算過程中很容易產生較大誤差。此外，Lowson聲場公式僅僅適用于自由聲場，此方法無法考慮壓氣機和風機蝸殼以及蝸舌對聲場的影響。Goldstein慮管道動對噪聲的影響，推導出了適用于管道內壓縮機和軸流風機的噪聲模型。（2）寬頻噪聲。高速氣體在流經固體壁面時，由于摩擦力等作用使氣體產生氣流分離，而形成一系列渦。渦在生成和消失過程中會造成靜壓的波動，同時并向周圍輻射噪聲，稱為渦流噪聲。由于此類噪聲頻率范圍比較大，通常也被稱寬頻噪聲與離散噪聲相比，寬頻噪聲產生的機理極為復雜，有效的消除寬頻噪聲也是十分困難的，國內外研究人員對寬頻噪聲的產生機理的認識僅限于利用實驗獲得半經驗公式。針對軸流式葉輪機械，主要從以下四個方面對寬頻噪聲進行研究:葉頂間隙流動產生的氣動噪聲;由旋轉機械葉片表面脫落漩渦而產生的氣動噪聲；旋轉機械葉片表面氣體流動分離而形成的氣流尾跡噪聲:進氣氣流與葉片的互相作用而產生噪聲。

2 壓氣機氣動噪聲特性

2.1 壓氣機聲學預測模型

聲學預測模型由壓氣機邊界元網格、場點網格、聲學指向性網格以及聲源網格組成。壓氣機邊界元網格包括壓氣機進口段、葉輪罩殼、擴壓器兩側平壁以及蝸殼網格，本文主要研究壓氣機在自然進氣狀態下的氣動噪聲輻射特性，因此邊界元網格中壓氣機進口設置為開口形式；壓氣機封頭同樣被考慮在壓氣機聲學模型中，并在聲學計算中設置為剛性壁面；壓氣機蝸殼出口連接進氣管，而在聲學邊界元網格蝸殼出口封閉，且設置為無反射邊界，使聲從該面透射至外部，保證聲學模型更接近真實情況。

場點網格是位于壓氣機進口一個半徑為1m的球形包絡面計算域，其中球形域球心為壓氣機葉輪50%弦長所在的軸線位置。在場點網格上布置有5個聲壓監測點SP1-SP5，用于獲取壓氣機噪聲在空間位置的頻譜特征，同時通過5點總聲壓級來評價壓氣機在不同轉速下的噪聲水平。聲學指向性網格設置在XY、XZ和YZ平面上，半徑同樣設置為1m，圓心與球形域球心相同，用于分析壓氣機噪聲在空間內的聲壓和聲強指向性。氣動噪聲模擬采用混合CAA方法，首先計算壓氣機非定常流動，并將選定聲源面的時域脈動壓力作為聲源進行相應的噪聲計算。旋轉的結構表面使得噪聲主要體現了旋轉偶極子源和空間四極子源，而離散單音噪聲主要源于偶極子源，故而本文計算時將聲源簡化為偶極子。根據奈奎斯特采樣定律中的時域采樣定理，當非定常流場模擬時時間步長取為 5e-6s，所能計算到的噪聲最大頻率為100kHz，滿足分析需要。壓氣機氣動噪聲主要噪聲源是離散單音噪聲，其主要出現在葉片通過頻率及其倍頻處，計算公式如下：

式中：N為轉速，Z為主葉片數。作為研究對象的壓氣機由8個主葉片，其最大轉速時涵蓋離散單音噪聲前三階峰值的頻率上限為10kHz，因此選定噪聲頻率范圍為0～10kHz。聲學計算中通常假設在最小波長范圍內有6個單元，取298K時聲速為346m/s，則對應最高計算頻率10kHz的最大單元邊長為5.7mm，因此在建立邊界面模型與場點網格模型時均嚴格保證單元不大于5mm，保證計算的準確度，聲學仿真計算中選擇葉輪進口面作為聲源面，在聲學計算中使用非定常流動計算中得到的具有穩定周期性的時域脈動壓力信息，經FFT變換后簡化作為偶極子源進行噪聲計算。三個計算工況均使用2976個非定常時間步的數據，因非定常流動計算時間步長均為 5e-6s，因此對應的噪聲頻譜分辨率均為67.2Hz。

渦輪增壓器是廣泛應用于車用及船用柴油機的增壓設備，它能有效的提高柴油機功率密度，改善柴油機經濟性、動力性、以及排放性能。隨著壓氣機葉輪設計轉速的不斷提高，流場內產生高速氣流，高速氣流湍流脈動是壓氣機噪聲的主要噪聲源，因此壓氣機氣動噪聲問題日益突出。因此，要想滿足船舶噪聲控制標準，必須解決渦輪增壓器噪聲問題，壓氣機作為渦輪增壓器的重要組成部分也是主要噪聲源之一，對其氣動噪聲研究具有非常重要的意義。