風(fēng)機(jī)氣動(dòng)嚷聲數(shù)值研究

作者：石家莊風(fēng)機(jī)　　　　　日期：2014-9-19　　　　　瀏覽：1803　　　　　

 

    近年來(lái)Fluent軟件被廣泛應(yīng)用于聲學(xué)計(jì)算【72]【73],其內(nèi)嵌了三種噪聲分析模型:直接計(jì)算聲學(xué)法、聲類比模型和寬頻噪聲模型.直接計(jì)算聲學(xué)法雖然精度髙,但是由于流動(dòng)和聲學(xué)變量尺度跨越很大,對(duì)計(jì)算方法的精度和計(jì)算機(jī)的硬件都有很高的要求,目前在工程應(yīng)用中是不足取的,本文利用后兩種聲學(xué)模型對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行研究,從不同角度衡量不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風(fēng)機(jī)產(chǎn)生噪聲的大小。

 

 

    因?yàn)槁晧罕容^容易測(cè)量,并且通過(guò)聲壓的測(cè)量還可以間接求得質(zhì)點(diǎn)速度等其它物理量,所以聲學(xué)中常用這個(gè)物理量來(lái)描述聲波。從聽(tīng)闡(2xlO_5Pa)到痛閾(20Pa),聲壓絕對(duì)值相差100萬(wàn)倍,因此用聲壓的絕對(duì)值表示聲音的強(qiáng)弱是不方便的。為方便起見(jiàn),引用聲壓級(jí)表示聲音大小,單位為分貝(dB)。

    聲類比模型就是計(jì)算各點(diǎn)聲壓級(jí),此方法主要包括以下兩個(gè)步驟:首先采用數(shù)值計(jì)算方法得到葉輪機(jī)械的瞬態(tài)流場(chǎng),從而獲取與聲源相關(guān)的信息,常見(jiàn)的計(jì)算方法諸如釆用Reynlods時(shí)均方程(RANS)、大禍模擬(LES)等[74]【75];然后釆用FW-H方程對(duì)離散噪聲進(jìn)行計(jì)算,利用自由空間格林函數(shù)求解FW-H方程,得到任意觀察點(diǎn)位置的聲壓信息。盧云濤76]分別釆用RNGifc-e、Realizablek-e. k-訟、SST免-co四種端流模型結(jié)合FW-H聲學(xué)模型對(duì)水滴型潛艇模型的流噪聲進(jìn)行模擬,證明RANS潘流模型結(jié)合FW-H聲學(xué)模型的方法可以用來(lái)模擬潛艇的流噪聲,在潛艇的流噪聲的預(yù)報(bào)上能得到合理的結(jié)果和一定的計(jì)算精度。

    將聲類比模型計(jì)算得到的壓力參數(shù)(各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處壓力隨時(shí)間的變化)進(jìn)行快速傅里葉變換,得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)隨頻率變化的氣動(dòng)噪聲頻譜圖。目前此種方法已被廣泛應(yīng)用于各類風(fēng)機(jī)的噪聲預(yù)測(cè)中[77][78],并取得很好的效果。

 

 

    聲功率不同于聲壓,它不受測(cè)點(diǎn)與聲源距離以及周圍聲學(xué)環(huán)境的影響,表示的是聲源箱射的總強(qiáng)度,相對(duì)于聲壓來(lái)說(shuō),聲功率在噪聲的聲學(xué)特性參數(shù)中具有更好的可對(duì)比性。而在聲學(xué)中常用對(duì)數(shù)標(biāo)度來(lái)度量聲強(qiáng)的大小,即聲功率級(jí),單位用分貝(dB)表示。

    寬頻噪聲模型通過(guò)統(tǒng)計(jì)雷諾平均的N-S方程獲得瑞流量,然后結(jié)合lighthill聲學(xué)積分理論,模擬寬頻噪聲,得出各點(diǎn)聲功率級(jí)分布。與FW-H模型不同,它不需要求解瞬態(tài)流場(chǎng),它的計(jì)算是基于雷諾時(shí)均方程的平均速度,瑞流動(dòng)能和潘流耗散率。

    本文先通過(guò)寬頻噪聲模型研究風(fēng)機(jī)聲源強(qiáng)度分布情況,確定主要聲源,然后利用聲類比,計(jì)算風(fēng)機(jī)流場(chǎng)中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)。利用聲類比方法進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算,首先要得到風(fēng)機(jī)的瞬態(tài)流場(chǎng),在對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行非定常計(jì)算時(shí),引入滑移阿格模型1]?滑移網(wǎng)格模型可以使交界面兩側(cè)的網(wǎng)格相互滑移,而不要求交界面兩側(cè)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)完全重合。計(jì)算時(shí)只需要計(jì)算交界面兩側(cè)的通量并使其相等,即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)一靜交界面間的信息傳遞。而在計(jì)算交界面的通量時(shí),需要首先在每一個(gè)新的時(shí)間步確定出交界面兩側(cè)接觸區(qū)的重合面。通過(guò)網(wǎng)格重合面的通量由交界面兩邊接觸區(qū)的重合面計(jì)算,而不是用整個(gè)交界面計(jì)算。在非定常計(jì)算過(guò)程中,通過(guò)引入滑移網(wǎng)格技術(shù),可以精確考慮不同時(shí)刻旋轉(zhuǎn)域和靜止域間的相對(duì)位置,應(yīng)用連續(xù)界面?zhèn)鬟f法,可以準(zhǔn)確模擬動(dòng)靜干擾的非定常流動(dòng)[82]。在進(jìn)行非定常數(shù)值計(jì)算時(shí),瑞流模型依然采用ealizablek-s模型,取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),與空間相關(guān)的擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階差分格式,壓力修正采用PISO算法,空間離散格式中壓力項(xiàng)釆用PRESTO格式,時(shí)間離散采用二階隱式格式。

    將風(fēng)機(jī)每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期平均分成180個(gè)時(shí)間步,時(shí)間步長(zhǎng)At = 7.4074074xl(r5(s),即完成一個(gè)計(jì)算周期需要計(jì)算180步。當(dāng)每個(gè)物理時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的迭代次數(shù)達(dá)100次或控制方程變量的絕對(duì)殘差均小于10—4時(shí),進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步的迭代。一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)的計(jì)算完成后,時(shí)間步向前推進(jìn),同時(shí)葉輪部分的網(wǎng)格相應(yīng)的轉(zhuǎn)到新的位置,并開(kāi)始進(jìn)行下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上的迭代計(jì)算。

    圖3.16為模型風(fēng)機(jī)額定工況點(diǎn)噪聲聲功率級(jí)分布圖,由圖可以看出葉輪聲功率級(jí)較大,特別是在葉輪進(jìn)出口處,是風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的主要噪聲源;導(dǎo)葉處聲功率值則相對(duì)較小,這是由于導(dǎo)葉入口安放角與液流角匹配,葉輪出口氣流均句地流進(jìn)導(dǎo)葉,從而降低了氣動(dòng)噪聲的聲功率值;而進(jìn)出管處聲功率級(jí)很低,可以忽略,因此本節(jié)在瞬態(tài)計(jì)算風(fēng)機(jī)聲壓級(jí)時(shí)定義葉輪和導(dǎo)葉為聲源。

    根據(jù)聲功率分布情況,在葉輪進(jìn)出口、導(dǎo)葉出口,以及風(fēng)機(jī)進(jìn)出口上下游共定義5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),圖3.17為監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖,各點(diǎn)坐標(biāo)分別為(0,0,100)、17,(),3)、(5(),0,-51)、(55,0,-77). (0,0,-177)。

    對(duì)模型風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試,測(cè)試時(shí)風(fēng)機(jī)包括葉輪和導(dǎo)葉,圖3.18為測(cè)試時(shí)聲壓計(jì)與風(fēng)機(jī)相對(duì)位置示意圖,聲壓計(jì)放在風(fēng)機(jī)出口,探頭垂直于流體流動(dòng)方向。改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,測(cè)量風(fēng)機(jī)出口處聲壓級(jí),其對(duì)應(yīng)數(shù)值模擬中的點(diǎn)4。圖3.19為不同轉(zhuǎn)速下模型風(fēng)機(jī)出口處噪聲數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖,由圖可以看出數(shù)值模擬石家莊風(fēng)機(jī)結(jié)果比實(shí)驗(yàn)值要低,這主要是因?yàn)閿?shù)值模擬僅體現(xiàn)了氣動(dòng)噪聲,而實(shí)驗(yàn)值還包括機(jī)械唉聲;雖然數(shù)值模擬不能定量描述聲壓級(jí),但其能很好地反映出聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。3.20為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為7500 r/min時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)情況,由圖可知,葉輪出口聲壓級(jí)最高,其次是葉輪進(jìn)口,這與圖3.16聲功率級(jí)分布是對(duì)應(yīng)的。經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉后,聲壓級(jí)明顯降低;隨著遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī),,進(jìn)出口聲壓級(jí)均降低,但是風(fēng)機(jī)進(jìn)口上游聲壓級(jí)相同距離降低幅度較導(dǎo)葉出口下游大。這主要是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓力脈動(dòng)主頻不同,圖3.21為點(diǎn)2和點(diǎn)4處壓力脈動(dòng)對(duì)比圖,由圖可以看出,點(diǎn)2主頻為760 HZ,點(diǎn)4主頻為420 HZ,點(diǎn)2主頻較大,高頻噪音傳播過(guò)程能量耗散較低頻噪音嚴(yán)重。

 

    由上節(jié)可知聲場(chǎng)數(shù)值模擬可以用來(lái)定性比較不同參數(shù)下風(fēng)機(jī)的噪聲水平。因此本節(jié)利用數(shù)值模擬的方法單片機(jī)解密預(yù)測(cè)兩級(jí)風(fēng)機(jī)噪聲水平,并與模型風(fēng)機(jī)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證降噪方案的可行性。監(jiān)測(cè)一級(jí)葉輪進(jìn)出口、二級(jí)導(dǎo)葉出口以及風(fēng)機(jī)上下游壓力脈動(dòng)信息,各點(diǎn)相對(duì)位置與模型風(fēng)機(jī)計(jì)算時(shí)一致,獲得各點(diǎn)聲壓級(jí)如表3.6,與模型風(fēng)機(jī)噪聲水平對(duì)比可知通過(guò)兩級(jí)降轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì),新風(fēng)機(jī)出口遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)比模型風(fēng)機(jī)降低6.5 dB,降噪效果明顯,達(dá)到設(shè)計(jì)初衷。