1.3.2.3 萊特希爾聲類比方法(Lighthill's Acoustic Analogy)

萊特希爾方程源于流體力學(xué)N-S方程[61]【62],其方程形式為

    式中為萊特希爾應(yīng)力張量。如果將方程左邊看成源項,則方程為典型的聲學(xué)波動方程,可以用已成熟的古典聲學(xué)方法來求解,對于方程右邊的應(yīng)力張量,可以通過實驗或計算流體力學(xué)方法計算得到。萊特希爾所提出的這種聲類比方法在解決實際問題過程中獲得了極大成功。后來,福茨威廉姆斯

    方程右邊第一項表示容積移動效應(yīng)引起的單極子聲源,第二項表示由物體表面作用在流體上的力引起的偶極子聲源,第三項表示由流體運動引起的四極子聲源[?][64]。隨著計算流體力學(xué)的發(fā)展,目前很多商用CFD軟件中已經(jīng)包含萊特希爾聲類比聲學(xué)模型[65]。一般來說,首先需要對流場進行計算,然后使用聲類比理論將流場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為聲源,最后計算聲場轄射。萊特希爾聲類比方法計算氣動噪聲的最大優(yōu)點是將聲音的產(chǎn)生和聲音的傳播分別計算,與計算氣動聲學(xué)方法相比,計算量和計算格式要求較低。此外,根據(jù)奈奎斯特釆樣定理,可還原的最高信號頻率只有釆樣頻率的一半,因此在對流場進行瞬態(tài)計算的時候,設(shè)置的時間步長能與計算氣動噪聲的最高頻率對應(yīng)。

1.4本文的研究內(nèi)容

    針對于目前傳統(tǒng)無葉風(fēng)扇擴散型出風(fēng)內(nèi)表面,本文提出了帶收縮型出風(fēng)內(nèi)表面的無葉風(fēng)扇的設(shè)計思路,依此為依據(jù)進一步設(shè)計了兩款無葉風(fēng)扇(其中出風(fēng)口間隙小于5 mm稱為小間隙無葉風(fēng)扇,大于5 mm稱為大間隙無葉風(fēng)扇)在相同功耗的情況下,用以克服傳統(tǒng)無葉風(fēng)扇小間隙、高壓阻和內(nèi)置風(fēng)機髙轉(zhuǎn)速、高噪音的缺點。本文釆用先數(shù)值模擬,后實驗驗證的思路,完成新型無葉風(fēng)扇和內(nèi)置風(fēng)機的設(shè)計與研究。同時鑒于無葉風(fēng)扇和內(nèi)置微型風(fēng)機結(jié)構(gòu)與流場差異很大,數(shù)值研究采用無葉風(fēng)扇和風(fēng)機分開建模,獨立計算的方法,以無葉風(fēng)扇性能需求作為內(nèi)置風(fēng)機設(shè)計的依據(jù)。本論文的主要工作如下:

    首先,闡述了無葉風(fēng)扇的設(shè)計思路,設(shè)計了一款帶有收縮型出風(fēng)內(nèi)表面、小間隙出風(fēng)的無葉風(fēng)扇.通過流場分析驗證收縮型內(nèi)表面設(shè)計方案的可行性,同時用數(shù)值模擬的方法研究收縮角和入口速度環(huán)量對小間隙無葉風(fēng)扇性能的影響,為無葉風(fēng)扇及內(nèi)置風(fēng)機設(shè)計提供依據(jù).為滿足小間陳無葉風(fēng)扇的性能需求,同時石家莊風(fēng)機廠達到風(fēng)機降轉(zhuǎn)速的目的,提出了兩級微型風(fēng)機的設(shè)計思路。為了研究微型風(fēng)機葉片非等節(jié)距布置的降噪效果,設(shè)計了5種葉片分布方式,以單級風(fēng)機為例,用數(shù)值模擬的方法研究葉片分布方式對風(fēng)機氣動性能和聲學(xué)性能的影響,找到葉片最佳分布方式.在此研究基棚上設(shè)計兩級風(fēng)機,對兩級風(fēng)機的流動特性和氣動聲學(xué)特性進行數(shù)值研究,對比模型風(fēng)機相似工況的噪聲情況,在效率不下降的前提下,達到降噪效果。

    其次,實驗研究模型風(fēng)機與底座安裝間距對風(fēng)機進口噪聲的影響,為無葉風(fēng)扇內(nèi)置風(fēng)機的安裝提供參考。對小間隙無葉風(fēng)扇和內(nèi)置兩級風(fēng)機樣機進行實驗研究,與模擬結(jié)果進行對比,驗證了研究思路和設(shè)計方案的可行性.

    再次,為了降低無葉風(fēng)扇氣流阻力,設(shè)計了一款帶有收縮型內(nèi)表面大間隙出風(fēng)的無葉風(fēng)扇。鑒于大間隙無葉風(fēng)扇出風(fēng)不均句的情況,在風(fēng)扇出風(fēng)口增加了格柵設(shè)置,不斷調(diào)整格柵密度,達到了均勻、髙效的出風(fēng)效果;在此最佳格柵密度的基礎(chǔ)上又深入研究了收縮角對大間陳無葉風(fēng)扇出風(fēng)效果的影響,最終找到該模型下的最佳收縮角。

    最后,為了滿足大間隙無葉風(fēng)扇性能,設(shè)計了一款帶后置空間導(dǎo)葉的大流量低風(fēng)壓混流風(fēng)機,對大流量風(fēng)機性能和噪聲級進行預(yù)測,對比模型風(fēng)機相似工況的噪聲情況,在效率不降的前提下,達到了降噪效果。