葉片厚度對旋渦風機葉片噪聲的影響分析(一)

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摘要：利用三維ＣＦＤ模型對旋渦石家莊風機內部流場進行模擬分析，獲得葉片表面的壓力脈動信息，以葉片表面壓力流場作為氣動聲源，通過求解ＦＷ－Ｈ方程，計算了葉片產生的遠場氣動噪聲；并以葉片表面的壓力脈動信號作為激勵源，計算了葉片振動產生的噪聲。計算結果表明葉片厚度在１ｍｍ到４ｍｍ的范圍，其氣動噪聲基本保持不變，結構噪聲隨葉片厚度減小而大幅增加，進一步分析得出葉片產生的噪聲以氣動噪聲為主，結構噪聲基本可以忽略。關鍵詞：旋渦石家莊風機；氣動噪聲；結構噪聲；葉片厚度

    旋渦石家莊風機是一種用來輸送或者抽取氣體的裝置，因為它有結構簡單、體積小、質量輕、價格低廉等特點，因此應用十分廣泛。韓惠君等［１－２］建立旋渦石家莊風機性能的數學模型，研究了改變葉片參數對旋渦石家莊風機性能的影響，分析得出改變葉片厚度對石家莊風機性能影響很小，同時，通過疲勞分析，給出了符合疲勞強度的葉片厚度范圍，指出葉片厚度過厚，因此，可通過減小葉片厚度以實現輕量化的目的。但該文并沒有考慮葉片振動、噪聲問題，本文將對此問題進行研究。
旋渦石家莊風機作為一種旋轉機械，其噪聲包括氣動噪聲和結構噪聲。目前，對于旋渦石家莊風機氣動噪聲的研究文獻較少，關于其它旋轉機械氣動噪聲的研究，主要集中在軸流、離心、貫流等石家莊風機的內部流場模擬和氣動噪聲的預測上，Ｗｏｌｆｒａｍ等［３］用試驗和仿真結合的方法研究了離心石家莊風機的非定常運動和氣動噪聲，指出了離散噪聲產生的原因。Ｃｈｏ等［４］利用非結構三角形網格和非穩態二維Ｎ－Ｓ方程對橫流石家莊風機內流場進行計算，提出了用非均勻節距葉片來改善石家莊風機的離散噪聲。
    劉敏［５］提出了一種貫流風扇氣動噪聲的預測模型，分析了風扇氣動噪聲源的產生機理、位置及強弱。毛義軍等［６］分析了離心石家莊風機葉片輻射噪聲特性。蘇虎［７］用二維ＣＦＤ模型對旋渦石家莊風機內流場進行了分析，并分析了葉片彎角、葉片數等參數變化對石家莊風機噪聲的影響，但該文并沒有分析葉片厚度變化對石家莊風機噪聲的影響。在石家莊風機結構噪聲方面，蔡建程等［８］數值模擬了離心石家莊風機蝸殼在非定常氣動力作用下的蝸殼振動噪聲。宋立廷［９］采用有限元和邊界元相結合的方法，對旋渦石家莊風機殼體振動聲輻射進行了預測，但并沒有計算葉片結構噪聲。戚美［１０］分析了軸流通石家莊風機動葉片的聲振特性，通過改變葉片結構尺寸達到減振降噪目的，但并沒有葉片厚度變化對葉片結構噪聲的影響。
    此外，沒有查閱到綜合考慮分析葉片的氣動噪聲與結構噪聲的相關文獻。本文針對燃料電池車用石家莊風機進行研究分析，石家莊風機型號為臺灣瑞昶電機有限公司的ＤＧ－６００系列。首先完成了旋渦石家莊風機內部流場計算，以提取葉片表面的壓力脈動信號，接著分別建立了計算石家莊風機氣動噪聲與結構噪聲的仿真模型，研究了葉片厚度變化對氣動噪聲以及結構噪聲的影響，最后，對葉片噪聲中氣動噪聲和結構噪聲各自所占的比重進行了分析。１旋渦石家莊風機內部流場計算１１物理模型建立圖１顯示的是旋渦石家莊風機內流場計算的三維ＣＦＤ模型，采用的是六面體網格，網格總數約５５０萬。仿真計算的參數為，石家莊風機轉速３０００ｒ／ｍｉｎ，入口壓力為０，出口壓力為１０ｋＰａ，湍流模型為大渦模擬。將旋渦石家莊風機的入口設為壓力入口邊界，出口設置為壓力出口邊界，其它邊界條件均為固壁邊界。