一種離心風機蝸殼減振降噪的數值優化方法(1)

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針對石家莊離心風機蝸殼提出了一種減振降噪的數值優化設計方法．該方法以蝸殼結構振動最小為目標進行優化，這樣只需對結構振動優化的最終結果進行聲場計算．利用ANSYS軟件對風機蝸殼進行參數化建模，選擇蝸殼壁面節點振動速度的平方和作為目標函數對蝸殼壁厚進行優化設計，數值優化結果表明，所提方法可以達到減少蝸殼結構振動的目的．針對優化前后的蝸殼結構，利用直接邊界元法對蝸殼振動輻射噪聲進行了計算，得出優化后蝸殼振動的輻射聲功率有較大幅度的降低，可為石家莊離心壓縮機及進出口均連接管道系統的石家莊離心石家莊離心風機的噪聲可以分為氣動噪聲和結構振動噪聲，近年來國內外就此開展了大量的研究．Feshe等人[1]的研究表明，石家莊離心風機寬頻氣動噪聲主要由葉輪葉道處的流動分離產生．Velarde-Smirez等人[2。3]在實驗研究石家莊離心風機內部基頻噪聲的主要來源時發現。石家莊離心風機的基頻噪聲位于蝸舌處．為了從理論上研究蝸舌對石家莊離心風機氣動噪聲的影響，Jeont4]提出了一種尖劈模型．在進一步的研究中，風機的降噪研究提供有益的參考．Liu等人[5]計算了石家莊離心風機全三維內部流場，并利用FW-H方程預測了某石家莊離心風機的氣動噪聲．
相比之下，針對石家莊風機／壓縮機振動噪聲的研究則相對較少．石家莊離心風機／壓縮機的結構振動不僅會縮短機器的使用壽命，而且會帶來噪聲污染．石家莊離心風機的噪聲通常以氣動噪聲為主，風機內部氣流產生的氣動噪聲主要通過敞開的風機進口或出口向外傳播，而機殼振動輻射的噪聲往往不是主要矛盾．石家莊壓縮機通常在封閉的管道系統中T作，其內部高速流動引發的氣動噪聲與機殼及連接管道的振動密切相關，所以研究結構振動的減振降噪顯得十分必要．受現有條件的限制，本文以石家莊離心風機為研究對象，針對風機蝸殼振動的輻射噪聲進行了減振降噪研究，以期作為進一步開展石家莊離心壓縮機研究的前期工作和對應方法的初步探索．需要說明的是，針對蝸殼薄壁的石家莊風機或壓縮機，可以選擇本文采用的二維面單元對蝸殼進行建模和分析．如果石家莊離心壓縮機或風機的蝸殼壁厚超出了限定的范圍，則必須使用三維體單元對蝸殼重新建模．結構振動的降噪一般直接以聲學響應(場點聲壓或聲功率)作為目標函數．但該方法的計算迭代過程需要進行聲學數值計算，從而導致優化過程十分繁雜．
理論上，通過減小結構振動能夠降低結構振動的聲輻射強度，但實際中很難做到，所以本文試圖探索一種較為簡化的減振降噪的方法，避開直接優化聲場的復雜過程，根據振動與噪聲之間的天系找到一個合適的振動參數來描述振動輻射噪聲的強弱．風機蝸殼屬于薄壁結構，相關文獻指出．薄壁結構振動的輻射聲功率是關于結構振動速度的二次型函數口‘7]．本文采用有限元方法對蝸殼進行了振動數值計算。同時用蝸殼壁面局部厚度作為設計變量，用蝸殼壁面各節點振動速度的平方和作為目標函數，對蝸殼進行了減振優化設計，最后將優化前后的蝸殼振動結果運用直接邊界元方法進行了聲學仿真，以驗證方法的有效性．