離心風機數值模擬及氣動噪聲分析

王梅芳，張磊，單衛軍

（深圳市水務科技有限公司，廣東 深圳 518000）

在動力機械噪聲研究領域中，萊特希爾聲類比理論是行程問題處理中最常見的基礎理論[1]。該理論以航空公司軸流式壓氣機的噪聲為研究環境，在軸流式壓氣機及風機的噪聲研究中有重要意義。在早期離心風機研究過程中，人們基于渦殼及離心風機構造，研究出了新型數學方程式[2]。這有利于解析出氣動式噪聲源，歸納出一套離心風機內部結構非定常勢流數值計算方法[3]。本文以T9-19No.4A 離心風機為例，進行相關理論研究，以降低離心風機噪聲。

離心風機由外殼和離心葉輪兩部分組成。其中，離心風機葉輪把風機機械能轉換為氣體動能，機殼將氣體動能轉換為壓力勢能，動能與勢能轉換滿足伯努利方程：

式中，P、ρ、v分別表示流場的壓力、密度和速度。

李棟等通過渦殼渦舌對離心風機的影響進行研究[4]，最終降低了離心風機氣動式噪聲3dB；李林凌等應用Gauss-Legendre 算法計算了風機葉片的氣動式噪聲，并通過調整葉片俯仰角、葉片半徑和葉片橫截面積等參數，得到不同狀態下離心風機葉片氣動式噪聲；Neise 等經試驗得出，在葉片尾緣處打孔可降低葉輪轉動噪聲10dB；Mauro 等通過提升風機轉速控制精度，可在特定工作頻率下，降低氣動噪聲約14dB；黃軒等根據消音原理，對離心風機葉片進行鋸齒狀化處理[5，6]，在1000—1400rpm 轉速下，氣動式噪聲可降低約5.0dB。

基于以上研究，本文采用吸音隔音降噪改進方案，對離心風機噪聲進行研究。

1 離心風機氣動式噪聲控制理論

離心風機在工作過程中產生的氣動式噪聲主要包括基頻噪聲、渦旋噪聲、聲頻率累加和反射面產生的內腔共鳴點噪聲等。依據離心風機的噪聲特性及研究現狀，采用離心風機內部結構非定常流動的數值計算方法，結合萊特希爾聲類比理論和渦聲理論，對離心風機內部結構關鍵氣動式噪聲源的部位、種類、抗壓強度等進行分析與計算，以降低氣動式噪聲源的抗壓強度，從而減少離心風機的氣動式噪聲。對離心風機輻射源音場進行測算，根據離心風機氣動式噪聲向外部散播的渠道和輻射源特性，在噪聲傳遞環節中進行阻隔或削弱，進而可減少離心風機的氣動式噪聲[7]。本文將基于關鍵噪聲源抗壓強度轉變層次的方法對離心風機降噪效果進行實驗驗證。

2 數值計算方法

2.1 湍流模型概述

湍流模型主要表現為湍流運動。湍流運動是一種不規律的流動性運動，其復雜性體現在：

（1）液體具備時光偶然性。在中合運動中，液體的速率、工作壓力、環境溫度等參數在時間上和空間上具備偶然性。

（2）結合液體運動產生的渦的多尺度特點。在勢流中，大尺度渦能夠傳輸動能，小限度渦則會損耗動能。

中合運動控制方程式包含連續性方程、爾蒂尼斯托克斯方程和能量守恒定律方程，如下式所示：

式中，u、v、w為三個方向上的速度分量；Fz為體積力；ST為流體內部由于黏性力而產生的熱量。

2.2 雷諾時均法

應用時均化原理進行方程求解中合勢的方法被稱之為雷洛時均法（RANS）。

時均化的維納斯托克斯方程為：

式中，δij為克羅內克函數中的偏量；u、v為湍流脈動值的雷諾應力項，代表流場中脈動分量的物理量。

渦黏模型不直接計算雷諾應力項，而是引入黏性系數，以黏性系數的函數代替雷諾應力。雷諾應力與時均速度梯度之間的關系如下式：

從式中可以看出，黏性系數t僅與流體的運動狀態有關。

3 離心風機數值模擬計算

3.1 離心風機的模型建立

離心風機的模型可分為幾何圖形模型和仿真建模兩部分。離心葉輪選用的是RER 175-42/18/2 TDMP型離心葉輪見圖1。

圖1 離心風機葉輪圖

3.2 網格劃分

網格圖劃分的關鍵是離散變量的處理。網格劃分后的幾何圖形中包括四個基本因素：連接點、操縱容積、頁面和網格圖線。

圖2（左）為第一次試算時葉輪表面的Y+值云圖，葉輪Y+值不滿足小于5 的要求，表面最大值為90.6，故需要縮小第一層網格，經多次計算得到圖2（右）所示的結果，Y+值為0.5—6.26。忽略小幅度誤差，改動后的葉輪表面數據均滿足要求，此時葉片表面第一層網格的平均高度為0.4mm。

圖2 葉輪表面Y+值分布云圖

在離心葉輪的速率圖3 中，距離離心葉輪邊緣處越近其速率越大，離心葉輪外邊緣的最高速率為36.4m/s。而離心風機的轉速為4070rpm，離心葉輪半徑為86.8mm，根據公式計算得出離心葉輪的最高速率為36.97m/s，模擬仿真值與真實值相似。

圖3 離心風機葉輪的速度云圖

在310 萬網格時，在初始條件下，應用大渦仿真模擬可以精確得到240Pa 條件下的離心風機勢能。而當離心風機工作在240Pa 以上時，將不能保證仿真結果的精確性。

3.3 結果分析

局部壓力損失的位置已在圖4 中標出，通過分析可知，造成局部壓力損失的原因為氣體與氣體之間的相互作用。

圖4 離心風機的局部壓力損失圖

在風機中，偶極子源和四極子源是由工作壓力脈沖產生的，因而風機的氣動式噪聲與工作壓力脈沖密切相關。由研究結果可知，工作壓力脈沖越大，其氣動式噪聲越大。

4 離心風機的設計優化

4.1 離心風機外殼的優化設計

圖5 左側為離心風機子午面速率矢量圖。由于氣體與邊界層相互影響，離心風機內部的氣體之間出現壓力損失。

圖5 離心風機子午面速度矢量圖和子午面跡線圖

從圖5 可以看出，受氣體中間黏性力的影響，離心風機左邊的氣體速率會降低，因此離心風機內部氣體的流動性會受到影響。

4.2 階梯蝸殼結構設計與仿真驗證

在離心葉輪與右邊流道之間存在抗壓強度較大的渦區，這類渦區的存在是離心風機中合噪聲出現的首要原因，因此可以通過優化結構來降低該渦區的渦量抗壓強度，從而減小噪聲。

從圖6 中可以看出，氣體受到右邊邊界層的影響，氣體壓力轉變為更大的負壓，因而右邊邊界層的負壓要高于其他區域。

圖6 離心風機壓力云圖

4.3 離心風機葉輪的設計與優化

對離心風機單個葉片進行仿真計算和流場分析時發現，在離心風機葉片尾緣處會出現邊界層分離現象，這種現象形成的主要原因是葉片湍流邊界層受到尾緣逆壓梯度影響。葉片表面時均壓力脈動分布云圖見圖7。

圖7 葉片表面時均壓力脈動分布云圖

單體葉片的聲壓級分布與原風機不同，呈現遞減的趨勢，這說明單體葉片的噪聲組成與原離心風機不同。

合理的鋸齒形葉片具有更好的降噪效果。但是實際的風機旋轉與單方向的氣體流動有著很大的區別。通過兩種方案進行對比可以發現，中鋸齒葉片產生的尾跡渦相對于小鋸齒葉片范圍更小，所以中鋸齒形葉片的降噪效果更優。壓力脈動分布對比圖見圖8。

圖8 壓力脈動分布對比圖

5 離心風機氣動性能測試

5.1 風洞實驗與噪聲測試簡介

P—Q（壓力—流量）性能曲線和氣動噪聲是在選擇離心風機時最關鍵的兩個參數，這兩個參數也是本文的研究重點。風洞實驗是流體動力學最主要、最常用的實驗工具。

本實驗使用的是一款小型風洞實驗機（AMCA 210-99），這款小型風洞實驗裝置主要可以完成以下三種測試項目：壓力—流量曲線測試（P—Q 測試）；系統阻抗曲線測試（SCR 測試）；熱阻—流量測試（R—Q 測試）。

5.2 離心風機降噪方案的實驗驗證

本文對離心風機的加工主要采用鈑金加工和3D打印兩種方式。由于離心風機葉輪的曲率形狀比較復雜，因此本文僅對機殼的優化進行了試驗驗證。圖9為結構優化方案的實物圖，圖中階梯蝸殼采用3D 打印技術制成，其他構件均使用材料為1.0mm 的鋁合金板以鈑金加工方式制作。

圖9 結構優化方案實物圖

實驗值與仿真值之間存在一定范圍的誤差，但總體規律基本一致。

根據測試結果，階梯蝸殼優化方案的降噪效果最好，平均聲壓級下降3.1dB。而導流板和防渦圈在離心風機氣動性能提升方面具有較好的效果，出口流量可分別提高24.5CFM 和20.5CFM，彌補了階梯蝸殼造成的離心風機的流量損失。

6 結語

通過將吸音材料和隔音材料作為填充物，填充進離心風機外殼與過流道中間的室內空間，在超聲波的傳遞中削弱噪聲，從而降低了離心風機噪聲。本研究明確了離心風機內部結構關鍵氣動式噪聲源，驗證了離心通風機的氣動式噪聲源在渦殼上。此外，本研究提出的離心通風機氣動式噪聲理論及離心風機氣動式噪聲試驗數據，對離心風機降噪設計具有一定借鑒意義，在原離心風機的基礎上可使噪聲降低1dB，有助于推動離心風機的應用與創新。