擴壓器擴壓角度對軸流風機噪音的影響*

范亞明,宋 超,鄭閩鋒,沈錦釵,趙 路

(1.福建工程學院 生態環境與城市建設學院,福建 福州 350118;2.福建省計量科學研究院,福建 福州 350003)

0 引 言

作為節能環保型蒸發冷卻空調輸送氣體介質的關鍵設備,大型軸流風機的氣動噪音是蒸發空調的主要噪聲源。

目前,市場上送風量大于20 000 m3/h的大型蒸發冷卻空調,行業內普遍噪音在75 dB(A)以上,已經超出國家所制訂的最低標準。因此,如何在滿足風機氣動性能前提下,降低軸流風機噪音成為了當前急需解決的問題。

針對現有大型蒸發空調用軸軸流風流風機出口擴壓器,李松等人[1]采用逆向建模法,在農用出口端設置了擴壓器,將部分動壓轉化為靜壓,以便提高風機的靜壓效率,降低風機的氣動噪聲;但是該結果并不適用于蒸發空調用軸流風機。張偉等人[2]采用風洞實驗法,探究了擴壓器的幾何參數對風機性能的影響,結果發現,當葉輪與擴壓器的徑向間隙比值R3/R2由1.03增加到1.07時,A聲級噪聲降低了3 dB(A),起到了良好的降噪效果;但是該研究只針對于離心機的降噪有效,而無法適用于軸流風機。趙悅等人[3]采用三維穩態分析法,通過對單通道葉輪進行了氣動性能分析,結果發現,長葉片擴壓器稠度值在1.203時,具有較高的穩定工作范圍和等熵效率;但是該研究缺少實驗環節,研究結果未得到驗證。NEMA U等人[4]通過改變擴壓器長度,并保持擴壓角不變,對風機進行了研究,結果發現,最長的擴散筒總壓損失和總壓損失系數最大;同樣,該研究由于缺少實驗,導致其結論的有效性無法得到驗證。劉軍等人[5]采用NUMCA計算分析法,對無葉擴壓器、7葉片擴壓器和11葉片擴壓器進行了數值模擬,并擬合得到了其性能曲線,結果發現,葉片擴壓器能夠在一定范圍內提高其效率和靜壓比;但是該研究并沒有涉及對氣動噪聲的分析。閆玥等人[6]采用大渦模擬分析法,對直線、等壓力梯度、等速度梯度和相切雙圓弧4種型面的錐形擴壓器進行了數值分析,結果發現,等壓力梯度和等速度梯度型面的擴壓器總體性能更好,其靜壓系數也最大;但是該研究是在固定的邊界條件下進行的,因此其實際使用的效果未知。CH A等人[7]采用瞬態分析法,并通過優化擴壓器結構,提升了壓氣機的性能;但該研究并沒有將其應用于軸流風機,并對其應用效果進行驗證。

另外,部分學者[8,9]采用數值分析法,對擴壓器性能進行了研究,結果發現,進口條件對擴壓器流動狀況和性能產生了較大的影響;但是該研究沒有考慮進口條件對氣動噪聲的影響。

通過上述分析可知,目前國內針對擴壓器應用的研究僅限于離心機,而缺少擴壓器對軸流風機性能和降噪方面的探討。

為此,筆者研究適用于大型軸流風機,且簡單易造的圓錐型擴壓器,通過改變擴壓器的擴壓角度,探究其對風機擴壓性能和氣動噪音的影響。

1 實驗裝置

此處實驗裝置是由福州市澳藍實業有限公司提供的國家級風洞性能平臺和消聲實驗室。

其中,風洞型號為AZL30—ZS32B,測量電機使用三相異步電機(型號MEP100L1—4,功率2.2 kW),噪聲依據《消聲室和半消聲室精密法》(GB/T 6882—2016)方法進行測量。

測試儀器有分析儀(AWA6290M—3)、聲校準器(AWA6221A)。

實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置

2 模型建立與網格劃分

2.1 流場物理模型

流場尺寸按照風洞實驗室大小建立,在Solid works中建模總共分為4個流域。

流場尺寸如圖2所示。

圖2 流場尺寸

由圖2可得:流場域包括進口域、旋轉域、擴壓域及出口域。其中,進口長度為1 500 mm,出口長度為5 000 mm。

2.2 擴壓器模型

圓錐形擴壓器的擴壓角一般取值為8°～12°,幾何參數選用種類1的數據[10]。

擴壓器示意圖如圖3所示。

圖3 錐形擴壓器

由圖3可得:D1為D，D2為1.1D，N為0.4D。

本次風機所裝備的圓錐型擴壓器D1為735 mm、D2為808.5 mm、N為294 mm(即擴壓角度為8°),另外兩組擴壓器參數保持D1、N均不變,增大擴壓角度至9°、10°,分別命名為A8、A9、A10。

2.3 網格尺寸

筆者結合風機與流場的特點,對進出口域采用六面體網格進行劃分,對復雜的旋轉域和擴壓域采用適應能力強的四面體網格。因Fluent采用有限體積法求解,所以Y+為所選取網格中心到壁面的距離,因此邊界層第一層高度為2y。

Y+表達式如下:

(1)

式中:ut—近壁面的流體速度,m/s;v—空氣的運動黏度,m2/s。

噪聲分析采用的湍流模型,對第一層網格高度的求解要求Y+接近1時求解最佳。筆者在穩態下采用的湍流模型是Renorm alization Group k-epsilon (RNGk-ε)模型,壁面采用非平衡壁面函數,其Y+取值(5～200)。

網格示意圖如圖4所示。

圖4 網格示意圖

由圖4可得:最后可算得第一層網格高度為0.034 mm。

體網格劃分完成之后,筆者對整體質量進行優化,其中,進出口域最大skewness值在0.85以下,旋轉域最大skewness值在0.9以下,符合計算要求。

通過分析得出網格無關性驗證結果如圖5所示。

圖5 網格無關性

由圖5可得:對比風機送風量,網格數量加密到5.0×106左右時,流量趨于穩定。由此可以認為,網格數量與計算結果之間無關聯性,滿足計算要求。

3 風機氣動性能與實驗對比

3.1 流場與聲場計算模型

穩態湍流模型選擇RNG模型。

進出口邊界條件分別為:

風機進口相對壓力為0 Pa,出口壓力為不同流量對應的靜壓。壁面采用無滑移條件,旋轉區域使用多重參考系運動模型,旋轉速度與實驗相同,為1 450 r/min;求解算法為SIMPLE,梯度求解選擇常用的Green-Gauss Cell Based,動量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二階迎風格式[11],收斂殘差設為1.0×104,使用完全多重網格初始化;針對非定常湍流模型,采用LES結合FW-H聲類比方法,最后通過傅里葉變化將時域信號轉換為頻域信號[12]。

本次噪聲模擬實驗室測出的最大頻率為8 000 Hz,實際在模擬中擴大范圍監測到1.0×104Hz,所以迭代步長為5×10-5s,迭代步數為1 600。

仿真過程中,筆者通過改變不同的背壓,以此來獲得實際運行中不同的工況,以獲得風機的P-Q值。

實驗與仿真測得結果如表1所示。

表1 仿真驗證結果

由表1可得:通過仿真驗證結果得知,隨著靜壓的增大,實驗流量在減小,同樣實驗流量和仿真流量的誤差隨靜壓的增加而減小;噪聲誤差為4.8%,在工程許可范圍內;

上述誤差的產生原因分析:模型優化時忽略了部分空洞,導致細節部分與原始實際模型稍有偏差;另外,在仿真模擬過程中出現過回流狀況,且這個問題伴隨著整個模擬過程,導致其結果與實際實驗存在誤差。

3.2 靜壓恢復系數

擴壓器增加旋流能改善性能[13],湍流的上升可以提高擴壓器的靜壓恢復相應系數[14]。

表示擴壓器性能的參數稱為擴壓效率,實際靜壓恢復系數如下[15]:

(2)

式中:ps2—出口靜壓,Pa;ps1—入口靜壓,Pa;v1—進口速度,m/s。

筆者計算了3種擴壓器A8、A9、A10實際靜壓恢復系數,所得結果如表2所示。

表2 不同擴壓角的靜壓恢復系數

由表2可得:A8、A9、A10實際靜壓恢復系數分別為0.598、0.654和0.445;擴壓器性能最好的為A9。

3.3 子午面流線圖

流體介質通過進口域,在旋轉區經過風機做功向下游流動。由于受到離心力和壁面反作用力的影響,導致下游的流動紊亂復雜。

流體充分發展后的流線圖如圖6所示。

由圖6可得:在風機出口處,對稱分布著兩個明顯的漩渦;

相比A8、A10,A9流場中分布更多的小渦,流動的損失更小。

3.4 頻譜分布與1/3倍程頻分析

模擬監測點距離風機正前方1 m處,風機標準長度為706 mm。依據(GB/T 2888—2008),筆者在風機正前方不足1 m設置監測點。

A計權網格聲學儀器接收聲音對低頻段不敏感,對中、高頻段較敏感,與正常人耳的感覺一致[16],所以筆者在此展示A聲級1/3倍程頻圖。

1 Hz～1.0×104Hz噪聲分布如圖7所示。

由圖7可得:監測點沒有安裝擴壓器的風機噪音為80.84 dB(A),高噪音集中在中低頻區間;裝備圓錐形擴壓器的風機在中低頻降噪效果最好的是A8,為75.71 dB(A),其次是A9,效果最差的為A10;氣動噪聲分別為77.64 dB(A)、79.23 dB(A);

圖7 A聲級1/3倍程頻

針對人耳敏感帶2 000 Hz～4 000 Hz,可知A9的效果要好于A8,且氣動噪聲均比原始風機要低。筆者對比原型風機與3種不同擴壓角度的擴壓器,得到在1 m監測點處的頻譜分布如圖8所示。

由圖8可得:與沒有安裝擴壓器的風機相比,葉片通過頻率并沒有差異,但在高頻處部分諧波頻率聲壓級有明顯的增大現象,這一點在A9和A10表現比較明顯;

圖8 A聲級頻譜分布

在2 000 Hz～4 000 Hz區間,3種擴壓器的寬頻處噪聲均得到有效的改善,噪聲均有不同程度的減小;相比原型風機,A9和A10大于8 000 Hz的高頻后,會產生較為明顯的駝峰現象,使得相應的寬頻噪聲升高。

4 結束語

為了降低大型軸流風機的氣動噪聲,筆者采用Fluent數值模擬,以及風洞實驗與聲學實驗相結合的方式,通過分析A聲級1/3倍程頻以及頻譜分布,對圓錐形擴壓器最佳擴壓角度進行了研究。

研究結論如下:

(1)采用LES湍流模型與FW-H方程相結合的聲類比法,可以有效獲得風機的氣動噪聲,其中A聲級噪聲誤差為4.8%,在工程所能接受的范圍之內;

(2)通過在軸流風機出口處安裝圓錐形擴壓器,可以有效地降低風機的氣動噪聲;就人耳敏感頻段降噪效果而言,推薦擴壓角為9°,噪音量為75.71 dB(A),比原型風機噪聲降低4.7%;且擴壓角為9°時,擴壓器的性能最優,靜壓恢復系數為0.654。

在后續的研究中,筆者還將探討擴壓器的直徑對風機下游聲場的影響,并制造相應的樣機,以便對其降噪的性能進行驗證。