風機氣動嚷聲數值研究

作者：石家莊風機　　　　　日期：2014-9-19　　　　　瀏覽：1859　　　　　

 

    近年來Fluent軟件被廣泛應用于聲學計算【72]【73],其內嵌了三種噪聲分析模型:直接計算聲學法、聲類比模型和寬頻噪聲模型.直接計算聲學法雖然精度髙,但是由于流動和聲學變量尺度跨越很大,對計算方法的精度和計算機的硬件都有很高的要求,目前在工程應用中是不足取的,本文利用后兩種聲學模型對風機噪聲進行研究,從不同角度衡量不同結構參數下風機產生噪聲的大小。

 

 

    因為聲壓比較容易測量,并且通過聲壓的測量還可以間接求得質點速度等其它物理量,所以聲學中常用這個物理量來描述聲波。從聽闡(2xlO_5Pa)到痛閾(20Pa),聲壓絕對值相差100萬倍,因此用聲壓的絕對值表示聲音的強弱是不方便的。為方便起見,引用聲壓級表示聲音大小,單位為分貝(dB)。

    聲類比模型就是計算各點聲壓級,此方法主要包括以下兩個步驟:首先采用數值計算方法得到葉輪機械的瞬態流場,從而獲取與聲源相關的信息,常見的計算方法諸如釆用Reynlods時均方程(RANS)、大禍模擬(LES)等[74]【75];然后釆用FW-H方程對離散噪聲進行計算,利用自由空間格林函數求解FW-H方程,得到任意觀察點位置的聲壓信息。盧云濤76]分別釆用RNGifc-e、Realizablek-e. k-訟、SST免-co四種端流模型結合FW-H聲學模型對水滴型潛艇模型的流噪聲進行模擬,證明RANS潘流模型結合FW-H聲學模型的方法可以用來模擬潛艇的流噪聲,在潛艇的流噪聲的預報上能得到合理的結果和一定的計算精度。

    將聲類比模型計算得到的壓力參數(各監測點處壓力隨時間的變化)進行快速傅里葉變換,得到各監測點的聲壓級隨頻率變化的氣動噪聲頻譜圖。目前此種方法已被廣泛應用于各類風機的噪聲預測中[77][78],并取得很好的效果。

 

 

    聲功率不同于聲壓,它不受測點與聲源距離以及周圍聲學環境的影響,表示的是聲源箱射的總強度,相對于聲壓來說,聲功率在噪聲的聲學特性參數中具有更好的可對比性。而在聲學中常用對數標度來度量聲強的大小,即聲功率級,單位用分貝(dB)表示。

    寬頻噪聲模型通過統計雷諾平均的N-S方程獲得瑞流量,然后結合lighthill聲學積分理論,模擬寬頻噪聲,得出各點聲功率級分布。與FW-H模型不同,它不需要求解瞬態流場,它的計算是基于雷諾時均方程的平均速度,瑞流動能和潘流耗散率。

    本文先通過寬頻噪聲模型研究風機聲源強度分布情況,確定主要聲源,然后利用聲類比,計算風機流場中各監測點聲壓級。利用聲類比方法進行聲場計算,首先要得到風機的瞬態流場,在對風機進行非定常計算時,引入滑移阿格模型1]?滑移網格模型可以使交界面兩側的網格相互滑移,而不要求交界面兩側的網格節點完全重合。計算時只需要計算交界面兩側的通量并使其相等,即可實現動一靜交界面間的信息傳遞。而在計算交界面的通量時,需要首先在每一個新的時間步確定出交界面兩側接觸區的重合面。通過網格重合面的通量由交界面兩邊接觸區的重合面計算,而不是用整個交界面計算。在非定常計算過程中,通過引入滑移網格技術,可以精確考慮不同時刻旋轉域和靜止域間的相對位置,應用連續界面傳遞法,可以準確模擬動靜干擾的非定常流動[82]。在進行非定常數值計算時,瑞流模型依然采用ealizablek-s模型,取標準壁面函數,與空間相關的擴散項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釆用PRESTO格式,時間離散采用二階隱式格式。

    將風機每個旋轉周期平均分成180個時間步,時間步長At = 7.4074074xl(r5(s),即完成一個計算周期需要計算180步。當每個物理時間步長內的迭代次數達100次或控制方程變量的絕對殘差均小于10—4時,進入下一個時間步的迭代。一個時間步長內的計算完成后,時間步向前推進,同時葉輪部分的網格相應的轉到新的位置,并開始進行下一個時間步長上的迭代計算。

    圖3.16為模型風機額定工況點噪聲聲功率級分布圖,由圖可以看出葉輪聲功率級較大,特別是在葉輪進出口處,是風機氣動噪聲的主要噪聲源;導葉處聲功率值則相對較小,這是由于導葉入口安放角與液流角匹配,葉輪出口氣流均句地流進導葉,從而降低了氣動噪聲的聲功率值;而進出管處聲功率級很低,可以忽略,因此本節在瞬態計算風機聲壓級時定義葉輪和導葉為聲源。

    根據聲功率分布情況,在葉輪進出口、導葉出口,以及風機進出口上下游共定義5個監測點,圖3.17為監測點分布示意圖,各點坐標分別為(0,0,100)、17,(),3)、(5(),0,-51)、(55,0,-77). (0,0,-177)。

    對模型風機進行噪聲測試,測試時風機包括葉輪和導葉,圖3.18為測試時聲壓計與風機相對位置示意圖,聲壓計放在風機出口,探頭垂直于流體流動方向。改變電機轉速,測量風機出口處聲壓級,其對應數值模擬中的點4。圖3.19為不同轉速下模型風機出口處噪聲數值模擬結果和實驗數據的對比圖,由圖可以看出數值模擬石家莊風機結果比實驗值要低,這主要是因為數值模擬僅體現了氣動噪聲,而實驗值還包括機械唉聲;雖然數值模擬不能定量描述聲壓級,但其能很好地反映出聲壓級隨轉速的變化規律。3.20為風機轉速為7500 r/min時各監測點聲壓級情況,由圖可知,葉輪出口聲壓級最高,其次是葉輪進口,這與圖3.16聲功率級分布是對應的。經過導葉后,聲壓級明顯降低;隨著遠離風機,,進出口聲壓級均降低,但是風機進口上游聲壓級相同距離降低幅度較導葉出口下游大。這主要是因為風機進出口壓力脈動主頻不同,圖3.21為點2和點4處壓力脈動對比圖,由圖可以看出,點2主頻為760 HZ,點4主頻為420 HZ,點2主頻較大,高頻噪音傳播過程能量耗散較低頻噪音嚴重。

 

    由上節可知聲場數值模擬可以用來定性比較不同參數下風機的噪聲水平。因此本節利用數值模擬的方法單片機解密預測兩級風機噪聲水平,并與模型風機進行對比,驗證降噪方案的可行性。監測一級葉輪進出口、二級導葉出口以及風機上下游壓力脈動信息,各點相對位置與模型風機計算時一致,獲得各點聲壓級如表3.6,與模型風機噪聲水平對比可知通過兩級降轉速設計,新風機出口遠場聲壓級比模型風機降低6.5 dB,降噪效果明顯,達到設計初衷。