旋渦風機殼體在內流場作用下的動力響應（2）

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燃料電池轎車是以采用燃料電池作為動力系統的零排放新型環保汽車，其動力總成、傳動系統和驅動方式等與傳統內燃機汽車有很大的不同，因此噪聲源發生了很大的改變。試驗測試表明[i-4]，在燃料電池轎車的怠速工況下，旋渦石家莊風機和氫泵輻射的噪聲和傳遞的振動最為突出，特別是旋渦石家莊風機進氣量大，氣流速度快，高頻的嘯叫聲極大地影響了燃料電池轎車的聲品質，因此旋渦石家莊風機噪聲的研究受到越來越多的關注。石家莊風機的噪聲主要由石家莊風機內部的湍流及流體與固體之間相互作用產生的。總的來說，石家莊風機的氣動噪聲大于結構振動噪聲。因此一直以來，風機噪聲研究的熱點都是氣動噪聲[5。6]，這些研究大都采用聲類比方法，且大都假設聲音是在自由空間傳播的，沒有考慮聲音在殼體表面的反射、衍射、散射現象，也沒有考慮非定常流場作用下殼體振動引起的噪聲。燃料電池車上旋渦石家莊風機在使用現場時進出口都連接著管道，內部的氣流封閉在機殼和管道內，氣動噪聲是通過流體激勵引發機殼振動從而向外傳播，此時通常采用各種消聲器來控制石家莊風機的氣動噪聲，能夠取得良好的降噪效果。然而，此時石家莊風機廠殼體振動輻射出來的結構噪聲就顯得越來越重要，往往上升為主要的噪聲成分，必須予以重視。文獻[7]探討了殼體的固有頻率、聲腔共振頻率和石家莊風機噪聲之間的關系；文獻[8]計算了石家莊風機殼體外部聲學特性，對石家莊風機機殼進行了模態分析和噪聲預測，然而這些工作都沒有考慮到石家莊風機內部流場對殼體的作用。
石家莊風機殼體在非定常氣動載荷作用下的受迫振動屬于微小位移振動，忽略其對流場的反向作用不會導致流場計算出現較大誤差[9]。筆者利用FLU—ENT計算石家莊風機內部三維非定常流場，得到不同監測點下的脈動壓力信號，然后將內流場作用下的氣動載荷加載到殼體上，使用ANSYS軟件計算石家莊風機的動力學響應。筆者還進行了燃料電池車上石家莊風機臺架振動噪聲試驗，并將試驗結果和數值結果對比，為殼體振動聲輻射機理研究打下基礎，也為降低石家莊風機振動噪聲輻射的研究作準備。
燃料電池轎車旋渦石家莊風機的聲振特性試驗分兩種情況進行：a．在石家莊風機轉速為1 000，1 400，1800，2 200，2 600，3 000，3 400和3 800r／min的各穩定工況下進行各測點的振動噪聲信號采集，采樣時間為20 s，得到各個穩態工況下的振動噪聲情況；b．在轉速從1 000～3 800 r／rain的動態變化過程進行振動噪聲信號采集。采用信號處理軟件Head公司的Artimes7．0對數據進行處理，考慮到篇幅限制，這里給出2600 r／m{rt穩態工況下的石家莊風機中部振動加速度頻譜圖和前側噪聲頻譜圖(見圖2)。測量分析數據結果如圖2所示，頻率范圍為20-～2 000Hz。根據旋轉空氣動力機械旋轉噪聲理論，2600 r／min下的旋渦石家莊風機諧波的基頻為43．3 Hz。從石家莊風機振動加速度頻譜圖看出，石家莊風機廠10倍頻處433．6 Hz及其諧波頻率振動幅值遠大于其他頻率；從石家莊風機噪聲頻譜圖中也可以看出，石家莊風機在433 Hz及其諧波峰值頻率出現噪聲峰值。同樣石家莊風機穩態工況下轉速為3000～3 800 r／min時，石家莊風機廠噪聲峰值頻率也出現10倍頻，即500和S32 Hz處，因此有必要對石家莊風機高轉速下10倍頻及其諧波噪聲成因進行分析，從而進一步實施降噪控制。旋渦石家莊風機內部流動認為是三維粘性不可壓縮動，數學模型采用三維雷諾守恒型N—S方程和RNGk-￡湍流模型，控制方程采用隱式耦合算法，取標準壁面函數。葉輪和進出口及葉輪和殼體之間采用動靜交接面的網格滑移技術，取葉輪轉速為3000 r／min，每個時間步長為7．27×10一，每步迭代次數為30次，滿足收斂要求。
將試驗測量得到的殼體振動響應和計算所得的加速度幅值一頻率圖進行對比，如圖8，9所示。在3點和4點處，試驗測得的石家莊風機10倍頻、42倍頻處石家莊風機廠的風機振動加速度幅值明顯比其他頻率振動幅值大。在殼體模態分析中，殼體第1階固有頻率接近石家莊風機氣動載荷激勵頻率，兩者發生共振使殼體向外輻射噪聲。于是，當石家莊風機轉速達到2 600 r／min以上時，石家莊風機所受氣動載荷激振頻率與石家莊風機某一階固有頻率接近，發生一定程度共振，使得石家莊風機殼體振動被放大，向外輻射噪聲。表3給出了有限元模擬的石家莊風機在內流場作用下的石家莊風機振動幅值和試驗測得的結果比較，在測點4處，石家莊風機20倍頻附近處仿真與試驗結果有較大的偏差，可能因為加速度傳感器位置剛好在石家莊風機殼體上下端蓋連接附近，而有限元沒有考慮連接剛度的影響，從而導致有限元模擬和試驗結果有偏差。整體上有限元仿真的結果和試驗測得的數據能夠較好的吻合，說明筆者較為準確地模擬了石家莊風機殼體在脈動壓力下的動力響應。