煤礦通風機氣動噪聲的分布特性研究

梁躍武

（潞安集團寺家莊有限責任公司，山西 昔陽 045300）

引言

目前，通風機在煤礦開采方面的應用越來越多，但是通風機的噪聲卻是不可忽略的問題，人們對通風機的氣體運行特性和聲學的產生、傳播過程進行了長期且深入的研究。眾所周知，通風機內部氣體流動存在混沌特性，即運行方式無法通過數學解析來獲得具體數值。這種混沌特性嚴重影響了通風機的穩定性及運行效率，同時氣體的混沌運行也是通風機產生噪聲的重要因素之一。現階段工程上對通風機氣動噪聲的控制主要有兩方面，一方面是從聲源入手，另一方面是從聲音的傳播過程入手。這兩方面也稱為主動控制和被動控制，主動控制是指對噪聲產生的聲源進行控制，被動控制是指減弱通風機發出噪聲向外界傳播的能力。

在實際工程應用中，一般采用波動理論研究噪聲的產生和傳播，然而由于噪聲的產生和傳播與振動理論類似，因此在日后的研究中可以將振動和噪聲的問題融會貫通，進而研究通風機噪聲的優化問題。

1 通風機模型的建立

本文所研究的礦用通風機為兩級軸流式局部通風機，其參數見表1。通風機內部有兩級葉輪和導葉，葉輪片數為8片，前級導葉數為7，后級導葉數為9。兩級葉輪分別由一臺電機驅動。

表1 軸流式通風機參數

其環境參數見表2。

表2 通風機運行的環境參數

在本文的研究分析中，忽略氣體壓縮對氣流場的影響，以及溫度場和重力場對數值模擬的影響。

為使得網格劃分更加簡便及準確，本文采用分塊分區的處理辦法，即將通風機按照部件的不同分為集流器、前級后級導葉輪、前級后級動葉輪、擴散器等區域。劃分出各個區域后，再按照各部件端面的邊界條件將其按照軸向進行組裝，從而完成網格劃分。

1.1 通風機幾何模型的建立

對于軸流式通風機，根據其結構特點可知，除了葉輪以外的部件外均為規則的幾何體，因此這些部分可以通過現有命令直接建立模型。對于葉輪部分，需要編寫程序才能達到一定的精度。本文編寫的程序可以從葉輪的厚度、長度、角度等數據計算出葉珊的相關數據。

本文通風機采用的是基于孤立葉形設計法來設計的，安裝角為42.9°，葉片劃分葉珊數為15個，單個葉片取點795個。將每個點的數據輸入相應的模擬軟件中，形成葉片的實物圖，再經過布爾運算等操作來生成葉輪部分的流場圖。

與葉輪部分建模過程類似，導葉輪也采用相同的建模方法。擴散器、前側電機筒、后側電機筒均為簡單的對稱幾何立體模型。在建模過程中，集流器的內部整流罩及外側的外筒是分別生成的。相類似的，擴散器和電機筒的內外側也同樣是分開生成的兩個實物體。最終，也同樣用布爾運算生成各個部分的幾何立體模型。

1.2 網格的劃分

計算網絡可以分為結構化和非結構化兩大類，分類的依據是網格節點之間的相鄰關系。

網格化網格節點有序排列，關系簡單明了。當面對幾何形狀復雜的區域，網格可以進行分塊構造，進而形成由幾大塊結構所組成的網絡。此種網格生成難度小，計算量小，但是精度低，不容易收斂。塊結構網絡更適用于處理不規則區域的邊界[1]。但是塊結構的網絡生成難度較大。對于非結構化的網格，節點位置不能用固定的規則來確定，隨機性較大。對于復雜的幾何圖形，使用非結構化的網格劃分得更有質量，對于場參數劇烈變化的地方可以更好地適應。與此同時，具有自動化程度高的優勢。綜上，本文采用非結構網格來劃分通風機計算網格。

因為對于通風機的不同部分，復雜度截然不同，所以本文采用分塊劃分的方法對每個部分進行網格劃分。為使得劃分過程達到最優效果，需要先在網格較為密集的部分進行嘗試性劃分，進而得到在最密集地方網格的最佳密度。通過這種劃分辦法，分別對葉輪部分、導葉輪部分等通風機各部分進行網格劃分。軸流式通風機軸向的網絡圖如圖1所示。

圖1 軸流式通風機軸向的網絡圖

2 通風機噪聲的基本理論

通風機的噪聲主要由電磁噪聲、氣動噪聲、機械噪聲組成，其中機械噪聲和電磁噪聲在通風機正常運行時產生的影響較小，但是對于氣動噪聲，只要通風機在運行，它就會產生，所以氣動噪聲的治理難度最大[2]。

相關學者研究表明，通風機的總噪聲與葉片運行速度的6次冪成正比。由此可知噪聲的產生源頭是偶極子性質的。另外，葉片的數量和動、靜葉之間的距離也可以決定氣動噪聲的大小[3]。

根據現有的資料數據來看，要想計算出通風機氣動噪聲功率的大小，需要利用寬頻的噪聲模型才可以得出較為精確的結論。在實際工程上，是先通過數值模擬來得到通風機噪聲源的分布特性。通過這一步驟可以大大縮小設計的時間，在根源處降低通風機噪聲。對應于本文，在進行定常數模擬后再引述通風機模型，進而計算得到軸流式通風機各個部分氣動噪聲功率的大小。

通過上述方法可以精確地分析葉輪區域氣動噪聲的相關特性。同時以葉片力模型為依據，可知作用于葉片上力的脈動是氣動噪聲的主要產生源頭，通過對脈動性質的深入研究可以更好地預測出離散噪聲[4]。在噪聲理論的不斷發展過程中，Lee修正了噪聲渦流的強度及關聯面積的相關計算步驟。故在使用Lee模型計算噪聲的過程中，通風機葉片的邊界信息是最為關鍵的。

3 氣動噪聲分布特性

3.1 氣動噪聲的分析方法

本文在分析氣動噪聲過程中主要是通過流場模擬、有限元分析的兩種方法進行分析。對于流場模擬分析，其分析步驟如下：

1）使用流場模擬軟件對通風機在一定工況下的流動進行計算，通過此步驟的計算結果來對初場進行非定常的湍流流動計算，進而得到非定常的結構與壓力相對于時間的變化解析式。

2）在完成步驟1）的定常流動的計算后，引入寬頻聲源模型，用此模型來預測軸流式通風機氣動噪聲聲功率的分布特性。

3）根據步驟1）中非定常計算的壓力隨時間變化的解析式，利用快速傅里葉變換，進而得到通風機監測面上監測點的壓力脈動時頻分布特性。

4）經過復雜的渦流模擬，使用FWH聲學模型來得到通風機內部的噪聲分布，其中這些氣動噪聲分布主要來自于通風機內的監測點。

對于有限元的分析，是通過將外殼的徑向壓力相關數據導入有限元分析的軟件中，并將其作為通風機動力的響應分析的已知條件，對其進行模態分析。將其在自由模態和預應力模態進行頻率側的對比，得到模態頻率的大小，以此來研究脈動力在外殼振動下的相關影響。

3.2 氣動噪聲功率分布

聲功率與聲壓和聲強不同，它不受周圍聲學環境的影響，也不受測點與聲源之間距離的影響。因此聲功率在噪聲方面更具有可比性，聲功率的單位為W。

對于通風機外殼，氣動噪聲在通風機前后的兩級葉輪區與殼體部分聲功率的值較大，其中葉頂處出現最大值。對于通風機的葉輪，從整體上來看，氣動噪聲聲功率從葉輪根部開始逐漸增大，一直到葉輪頂部。同時后級葉輪的噪聲功率大于前級葉輪的功率分布，這是由于前級葉輪的尾跡對后級葉輪存在著不規則的脈動力而導致的。除此原因之外，通風機在運行時功率分配不均等也會造成后級的噪聲大于前級的現象出現。對于通風機葉片的聲功率，葉頂附近出現了聲功率的最大值。從葉頂到葉底，聲功率在逐漸降低。通風機各部分聲功率分布如下頁圖2所示。

圖2 通風機各部分噪聲聲功率分布（單位：W）

4 結論

通風機是綜采工作面稀釋瓦斯、粉塵濃度的一種為工作人員和設備提供安全、舒適工作面的關鍵設備；此外，噪聲污染也是工作面影響工作人員工作的主要因素。因此，本文結合兩級軸流式局部通風機的實際參數建立模型，重點對設備在實際工作中通風機殼體和通風機芯部的氣動噪聲聲功率的分布進行研究，為后續改進通風機結構、降低工作面噪聲提供支撐。