基于渦聲理論的低速軸流風機氣動噪聲研究（1）

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傳統(tǒng)氣動聲學研究主要采用近場CFD確定聲源強度和遠場求解非齊次波動方程相結合的聲類比混合方法進行求解舊】，難以回答諸如流場和聲場相互作用機理、聲波能量在流體介質中的產生、傳遞等基本問題。從60年代以來，Powell【3J'Howe[4J等人從渦動力學角度出發(fā)，對于流體發(fā)聲的內部機理、聲波與湍流的相互作用等基礎問題進行了研究，建立了渦聲理論，對低速等熵條件下流動發(fā)聲機理具有較好適用性。
本文以空調器室外機中風機廠低速軸流石家莊風機與導風罩的氣動噪聲為研究對象。在采用PIV和cFD對具有不同安裝角的軸流石家莊風機與導風罩內部流場分析基礎上，結合低速等熵流動的渦聲理論分析軸流石家莊風機內部流場與噪聲輻射關聯(lián)，辨識主要氣動噪聲源。并在此基礎上采用基于CFD的渦脫落噪聲預測模型對低速軸流石家莊風機氣動噪聲總聲壓級進行了預濺。
本文所研究的低速軸流石家莊風機為空調器室外機常用大弦長、小展弦比前掠葉片，在葉片后半弦長的葉頂位置安裝有導風罩，屬部分管道式結構，如圖1所示。葉輪直徑470 mm，輪轂比o．34，葉片數(shù)3，導風罩直徑486 mm，導風罩寬度60 mm，石家莊風機葉頂間隙8 mm。對三個不同安裝角的軸流石家莊風機進行對比研究，除葉片安裝角外，三個軸流風扇的幾何參數(shù)和葉型參數(shù)完全一致，其基本性能參數(shù)如表1所示。其中Fan．A定義為原型葉輪，將葉片安裝角增加4。后得到Fan—B，將葉片安裝角減小5。后得到Fan—C。基本的氣動測試和聲學測試在上海交通大學半消聲室中進行，分別依據(jù)GBl236—2000和GB2888—1991。結果顯示 隨著軸流風扇葉片安裝角的增加，葉輪轉速降低，總聲壓級相應減小。
采用丹麥Dantec公司生產的數(shù)字式二維PIV激光流場測試系統(tǒng)對軸流風扇和導風罩結構的進出口流場進行了測試。Dantec的PIV系統(tǒng)激光器為雙諧振脈沖式Nd：YAG激光器，每個脈沖能量200 mJ，工作頻率10 Hz，激光波長532nm(綠光)，片光源厚度1 mm，張角14。。ccD相機為KODAKMEGAPLus ES 1．o互／自相關數(shù)字相機，像素為1018×1008，互相關雙幀模式下工作頻率7．7Hz。
對于旋轉軸流風扇葉片通道內部流場的測量，采用鎖相平均技術進行觸發(fā)采樣。每個觸發(fā)位置拍攝300^一500幅瞬態(tài)流場照片進行鎖相平均，并將沿圓周不同相角的鎖相平均結果進行總體平均。圖2為軸流石家莊風機(Fan．A)和導風罩進出口上、下游流道通過旋轉軸子午面內瞬態(tài)PIV速度矢量分布。在軸流風扇葉頂近吸力面?zhèn)却嬖谝粋€明顯的葉尖渦。葉尖渦由葉頂壓力面和吸力面間壓差所誘發(fā)，并在主流的作用下逆旋轉方向向下游發(fā)展。葉尖渦的形成、發(fā)展，及其與導風罩的干涉將直接誘發(fā)軸流石家莊風機的氣動噪聲輻射。由于受到導風罩結構的影響，PIV實驗無法進一步捕捉葉尖渦在葉片葉頂與導風罩之間間隙內部的發(fā)展過程，需要采用CFD手段進一步加以研究。

采用PIV和cFD對不同安裝角低速軸流風機流場進行對比研究，結合低速等熵流動的渦聲理論分析風機內部流場與噪聲輻射關聯(lián)，在此基礎上計算風機氣動噪聲。研究表明，低速等熵流動的氣動噪聲主要源于流場中渦系的拉伸與破裂。均勻進氣情況下低速軸流風機的主要氣動噪聲源為葉片尾緣渦脫落噪聲和葉尖渦噪聲，其中前者強度明顯大于后者。在此基礎上，應用基于cFD的渦脫落噪聲預測模型對石家莊風機氣動噪聲預測結果與實驗吻合較好。