基于混合法的船用離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)

張帆，王志強(qiáng)，王金朝，徐寧，黃偉稀

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七二五研究所 洛陽(yáng)雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽(yáng) 471023； 2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

應(yīng)用在高端郵輪的離心風(fēng)機(jī)，在研制之初，需要對(duì)其聲場(chǎng)特性進(jìn)行預(yù)估。目前船用離心風(fēng)機(jī)的聲場(chǎng)特性分析還是以試驗(yàn)研究為主，成本高、周期長(zhǎng)[1]。數(shù)值模擬提供的風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)信息，有利于認(rèn)識(shí)離心風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理和降噪原理，為進(jìn)一步推廣降噪設(shè)計(jì)方法提供依據(jù)[2]。對(duì)船用離心風(fēng)機(jī)的聲場(chǎng)采用數(shù)值預(yù)報(bào)分析，能極大地縮短研制周期并且降低研發(fā)成本。對(duì)某型號(hào)船用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行建模，分析風(fēng)機(jī)流場(chǎng)特性，采用混合法對(duì)氣動(dòng)噪聲源進(jìn)行預(yù)報(bào)，建立可靠、快速的船用離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)方法，為船用離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。由于風(fēng)機(jī)噪聲以中低頻為主[3]，故取分析頻率范圍為100～5 000 Hz。

1 流場(chǎng)建模及計(jì)算

1.1 建模及CFD前處理

某型船用離心風(fēng)機(jī)主要由集流器、葉輪以及蝸殼組成。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況流量Q為3 500 m3/h，轉(zhuǎn)速n為2 900 r/min，全壓為1 960 Pa，整個(gè)葉輪由32片葉片組成。為了提高建模的準(zhǔn)確度，采用3D掃描的方式對(duì)離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行逆向工程建模。

為了減少風(fēng)機(jī)出口回流現(xiàn)象，在離心風(fēng)機(jī)入口和出口部分各增加一段管路。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，入口段管路長(zhǎng)度約為風(fēng)機(jī)入口直徑的4倍，出口段管路長(zhǎng)度約為風(fēng)機(jī)出口水力直徑的10倍。風(fēng)機(jī)模型網(wǎng)格在Ansys中的Mesh模塊進(jìn)行劃分，采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分離心風(fēng)機(jī)流體域。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

圖1 離心風(fēng)機(jī)有限元網(wǎng)格劃分

離心風(fēng)機(jī)的工作介質(zhì)可認(rèn)為是連續(xù)不可壓縮氣體[5]。流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用RNGκ-ε湍流模型，使用MRF模型模擬葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。定常流場(chǎng)邊界條件：①出口邊界條件，出口靜壓，872 Pa；②入口邊界條件，入口速度，23.54 m/s；③壁面邊界條件，無(wú)滑動(dòng)絕熱邊界。其中入口速度和出口靜壓均為實(shí)測(cè)值。利用大渦模擬計(jì)算得到非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 025 s。計(jì)算收斂的標(biāo)準(zhǔn)：①非定常計(jì)算時(shí)，收斂曲線呈現(xiàn)周期性波動(dòng)；②定常計(jì)算時(shí)，全局殘差下降3個(gè)量級(jí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)出口面的質(zhì)量流量相對(duì)誤差小于0.1%，且質(zhì)量流量不再發(fā)生變化。

1.2 船用離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)分析

徑向面速度云圖見(jiàn)圖2。

圖2 徑向面速度云圖

由圖2可見(jiàn)，在風(fēng)機(jī)葉輪區(qū)域，各流道內(nèi)的流體速度由內(nèi)向外增大，在葉片尾緣處達(dá)到最大值。其中，風(fēng)機(jī)內(nèi)部速度最大值出現(xiàn)在葉輪靠近風(fēng)機(jī)出口處的葉片尾緣區(qū)域。這是由于風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力造成的。在蝸殼區(qū)域，流體速度同樣是由內(nèi)向外增大，并且在蝸舌處出現(xiàn)最小值。

葉片靜壓云見(jiàn)圖3。

圖3 葉片靜壓云圖

由圖3可見(jiàn)，在風(fēng)機(jī)流道內(nèi)，葉片壓力面靜壓高于吸力面。在葉片前緣處，壓力面與吸力面兩側(cè)的靜壓相差較大，產(chǎn)生較大的氣流擾動(dòng)，這成為產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的主要原因之一。從葉片尾緣的靜壓分布可看出，由壓力面至吸力面的靜壓值遞減，從而在葉片尾緣處形成逆壓梯度，造成二次流損失。

葉片跡線云圖見(jiàn)圖4。

圖4 葉片跡線云圖

由圖4可見(jiàn)，葉片的邊界層分離現(xiàn)象。圖中葉片后端流場(chǎng)由于發(fā)生邊界層分離，進(jìn)而產(chǎn)生旋渦。流體受到葉片壁面與空氣之間的粘性力作用，導(dǎo)致在葉片壁面形成邊界層。在流體流動(dòng)過(guò)程中會(huì)由于負(fù)壓梯度作用而造成邊界層分離，從而形成尾跡渦，最終生成噪聲。

徑向面湍流強(qiáng)度云圖見(jiàn)圖5。

圖5 徑向面湍流強(qiáng)度云圖

由圖5可見(jiàn)，蝸舌處的湍流強(qiáng)度較大，因而蝸舌的設(shè)計(jì)對(duì)于離心風(fēng)機(jī)噪聲幅值的大小具有重要影響。由于在葉輪出口處產(chǎn)生射流尾跡現(xiàn)象，導(dǎo)致葉輪靠近風(fēng)機(jī)出口處的湍流強(qiáng)度明顯大于其余部分。風(fēng)機(jī)流場(chǎng)內(nèi)部的射流尾跡現(xiàn)象使得流體在葉輪出口處的流速不均勻，流速不均勻性導(dǎo)致流體在葉輪出口處產(chǎn)生回流，所以葉輪靠近風(fēng)機(jī)出口處的湍流強(qiáng)度明顯較大。

2 寬帶噪聲模型計(jì)算

寬帶噪聲法是基于穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)來(lái)進(jìn)行聲功率求解，因而不需要求解非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)方程[6]。該方法運(yùn)用萊特希爾聲類比法中的Proudman方程來(lái)求解聲功率分布PA。

(1)

式中:α為常量；ρ0為氣體密度；c0為聲速；l為湍流尺度；u為湍流速度。

根據(jù)離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，運(yùn)用Fluent軟件中的寬帶噪聲模型，進(jìn)而得到船用離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的計(jì)算結(jié)果。由圖6所示風(fēng)機(jī)徑向面聲功率級(jí)云圖可看出，在距離風(fēng)機(jī)出口較近的葉輪尾緣處聲功率級(jí)最大，達(dá)到90.8 dB。蝸舌處聲功率級(jí)達(dá)到85 dB。因此，葉片尾緣和蝸舌是產(chǎn)生噪聲的主要區(qū)域。

圖6 徑向面聲功率級(jí)云圖

由圖7所示的離心風(fēng)機(jī)葉輪聲功率級(jí)云圖可看出，離心風(fēng)機(jī)葉片吸力面的聲功率級(jí)大于壓力面聲功率級(jí)。葉片尾緣聲功率級(jí)大于葉片前緣聲功率級(jí)。而在葉輪輪轂處的聲功率級(jí)最小。整體來(lái)看，葉輪聲功率級(jí)大小分布較均勻，大部分區(qū)域聲功率級(jí)為65 dB。通過(guò)Fluent中寬帶噪聲模型計(jì)算可知，葉片尾緣和蝸舌處的聲功率級(jí)較高，是噪聲產(chǎn)生的主要區(qū)域。此分析為后續(xù)氣動(dòng)噪聲計(jì)算提供較為準(zhǔn)確的噪聲源信息。

圖7 葉輪聲功率級(jí)云圖

3 氣動(dòng)噪聲計(jì)算

該型號(hào)船用離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部氣體流速較小，根據(jù)離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，采用萊特希爾聲類比法，運(yùn)用Actran進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算模型的聲學(xué)邊界采用無(wú)限元處理。離心風(fēng)機(jī)聲學(xué)網(wǎng)格見(jiàn)圖8。

圖8 聲學(xué)網(wǎng)格

由圖8可知，氣動(dòng)聲學(xué)網(wǎng)格主要包括兩個(gè)部分，即聲傳播區(qū)域和聲源區(qū)域。風(fēng)機(jī)模型的聲學(xué)網(wǎng)格最大單元為11 mm，滿足1個(gè)波長(zhǎng)中包含6個(gè)網(wǎng)格的要求，因而該模型聲學(xué)計(jì)算的最高頻率能夠達(dá)到5 000 Hz。

離心風(fēng)機(jī)1階葉頻(1 280 Hz)氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)云圖見(jiàn)圖9。

圖9 1階葉頻聲壓級(jí)云圖

由圖9可知，在1階葉頻中，蝸殼區(qū)域的聲壓級(jí)整體較高且分布均勻，1 280 Hz時(shí)(1階葉頻)的最大聲壓級(jí)為115 dB。

4 氣動(dòng)噪聲測(cè)試

在消音室中，對(duì)某型船用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)量。分別在風(fēng)機(jī)出口1 m處、風(fēng)機(jī)葉輪處、風(fēng)機(jī)出口處和風(fēng)機(jī)出口0.5 m處設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4個(gè)測(cè)點(diǎn)在100～5 000 Hz頻段內(nèi)試驗(yàn)與仿真的聲壓級(jí)對(duì)比見(jiàn)圖10。

圖10 各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)對(duì)比

仿真與試驗(yàn)測(cè)得的聲壓級(jí)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比 dB

由表1可知，各測(cè)點(diǎn)的計(jì)算與試驗(yàn)誤差范圍為3.3～4.2 dB，基本能夠滿足工程要求。誤差原因分析如下。

1)幾何模型誤差。風(fēng)機(jī)在逆向建模中采用3D掃描較為完整的葉片進(jìn)行陣列建模，各葉片模型等間距排列，而風(fēng)機(jī)原模型制造工藝較為粗糙，葉片間距并不均勻。

2)計(jì)算模型誤差。目前沒(méi)有對(duì)所有流動(dòng)問(wèn)題都通用的湍流模型，由于仿真無(wú)法采用直接模擬法，因而湍流模型所造成的計(jì)算誤差是數(shù)值計(jì)算無(wú)法避免的。

3)流場(chǎng)模擬誤差。由聲比擬理論可知，湍流區(qū)域是聲比擬的聲源，湍流運(yùn)動(dòng)是較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，湍流區(qū)域的流場(chǎng)模擬結(jié)果直接影響到聲場(chǎng)模擬結(jié)果。

5 結(jié)論

1)運(yùn)用Fluent和Actran聯(lián)合仿真的混合法進(jìn)行氣動(dòng)噪聲預(yù)報(bào)，仿真與試驗(yàn)的趨勢(shì)大致相同且聲壓級(jí)相差3 dB左右。因此建立快速可靠的船用離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)方法具有可行性，有助于改善船用離心風(fēng)機(jī)的噪聲預(yù)報(bào)流程，縮短船用離心風(fēng)機(jī)研制周期并且降低研發(fā)成本。

2)該方法能夠準(zhǔn)確分析船用離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)特性，快速找到氣動(dòng)噪聲源，為離心風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3)建模的幾何誤差、計(jì)算模型誤差、流場(chǎng)模擬誤差、網(wǎng)格劃分誤差等是造成最終仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差的主要原因。在以后的研究中應(yīng)盡量減小這些誤差，提高噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性。