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離心風機氣動噪聲研究方法的分析與建議(離心風機氣動噪聲仿真)

　　離心風機氣動噪聲研究方法的分析與建議黃，宇愀洪祁大同西安交通大學流體機械研究所主對目前離心風機氣動噪聲的研宄方法進行了分析，總結(jié)出數(shù)值模擬及其計算方法還不完善?！　√岢隽穗x心風機蝸殼簡化成個具有硬邊界的理想殼體模型的思路來研宄風機氣動噪聲?！　?引言離心風機的噪聲以氣動噪聲為主，在性質(zhì)上可以分為離散噪聲與寬帶噪聲。其氣動噪聲主要由氣體與葉輪葉片以及蝸殼的相互作用產(chǎn)生，并通過進出氣通道加以傳播。蝸殼內(nèi)部的維非穩(wěn)定流場以及殼體的特殊形狀使得對其開展研究變得困難。近年來5國內(nèi)外專家如18，131HoJeon針對離心風機噪聲做了很多研充在發(fā)聲機理和聲源傳播數(shù)值模擬測試技術等方面都取得了不少突破，但仍有很多需要進步改進和完善之處。本文綜6了近年來1內(nèi)外大量文獻的理論訃算和試驗研究方法，同時提出了新的建議。2理論計算方法2.1點源模型對于風機而言，點源模型是種十分有用的技術。　　這種近似的準則是，所要研究的最高頻率的波長入應該遠大于聲源的物理尺寸1.為滿足這個準則要求，對發(fā)射較高頻率噪聲的葉片，在應用點源模型時，可將每個相關面積或相關體積視為個小尺寸的孤立聲源將風機葉片用沿著葉片展長分布的孤立點源的總和來模擬。目前有人研究了自由聲場旋轉(zhuǎn)點聲源的聲學特性通過波動方程推導出了運動點源產(chǎn)生的聲場公式，該公式適合于葉片上的每個微元啦然對葉片上的所有微元求積分就可以求出葉片運動產(chǎn)生的聲場但擬定葉片微元的點源尺寸是個難，而且般來說風機葉片都不是直葉片，甚至在空間有很大扭曲，用點源模型進行模擬容易產(chǎn)生較大誤差。　　另外，上述研宄針對的是自由聲場，而離心風機必須考慮蝸殼的影響。　　2.2蝸舌的尖劈模擬靜止板緣紊流邊界層聲發(fā)射的理論兌公式早已得出，但用于葉輪機械噪聲還需進步改進。陸桂林考慮了葉片旋轉(zhuǎn)對聲發(fā)射的影響，并結(jié)合有關試驗資料。引入葉片兒何參數(shù)的組合關系式，推導出了個有2個葉片的離心風機葉輪葉片尾緣紊流邊界層聲發(fā)射計算公式。這些都是在無蝸殼假定下噪聲計算公式的推導。為了模擬蝸殼存在的情況。1.。1輪附近放置個尖劈模擬蝸舌，以它來作為產(chǎn)生離散噪聲的聲源. 1. 通過此模型計算出流場，然后用非定常的伯努利方程計算出作用在葉片微元上所受的力，最后利用界80導出的任意運動點源的聲場公式計算聲壓本文其他作者聞蘇平曹淑珍運用該模型進行風機噪聲的數(shù)值模擬可以得到很多有價值的數(shù)值計算結(jié)果，改變其中些參數(shù)，如葉片數(shù)，葉輪旋轉(zhuǎn)速度和葉輪與尖劈之間的間隙等來盅新進疔汁算。并加以比較可以分析葉片通過頻率噪聲的影響因素，對離心風機的降噪有指導意義，尤其是對分析離散噪聲的成因及其降噪方法有著比較重要的作用。但是它只能模擬風機的基頻噪聲，且仍沒有考慮完整蝸殼的存在。　　2.3基于寬頻噪聲的模擬寬頻噪聲也稱作渦流噪聲，它主要取決于對應流場所對應的聲場解，所以渦流噪聲很多都還是試驗研究或者理論上的定性分析。從出0方程和離心風機的具體邊界條件出發(fā)可以得出基本方程然后基于數(shù)量級分析的基礎上，做了些簡化，并將整個流場分成主流區(qū)和邊界層區(qū)分別加以討論。最后結(jié)合試驗進行了分析，證明了定性分析進亍了建，2所不，利用不區(qū)域，或出丑1然廠利用傅葉。變換量綱分析以及市學相似定律導出了以下關系式則聲壓譜密度的達式為在得出關系式利⑴試驗研究可以分析聲以譜密度與各參數(shù)之間的相互關系?？梢钥闯?，利用該模型求解時，需要借助試驗才能確定聲壓與各參數(shù)之間的體關系。因此小1能較好地從理論上直接解決離心風機的噪聲問?！　?.4邊界單元法計算邊界單元法的計算例子較多，但都大同小異，這里重點舉李繼芳的算例加以說明，他運用！也積分方程得出了蝸殼面速度分布與蝸殼面聲壓的積分關系式格林函數(shù)可以得到整個蝸殼向外輻射的聲功率可以利用加速度傳感器得到蝸殼面的振動速度分布，然后通過公式計算出蝸殼面的聲壓，或者可以通過風機進口或出口的聲壓計算進出口福射的聲功率，然后得到總合成聲功率?？梢钥闯?，該計算方法可以計算蝸殼振動引起的噪聲福射，也可以計算通過進出口管道向外傳遞的噪聲?！　〉窃跍y量進出口的聲壓時，由于氣流的影響，使測量受到較大的干擾，因此測定的聲壓不定是真實值；另外，由于蝸殼面各點振動極不均勻，不僅僅是垂直于面振動，甚至隨時間變化。測量時需要測量大量點的振動速度，工作量大，而且可靠性不因此該方法的應也有局限性2.5蝸殼聲電類比模型很早人們就提出了聲電類比方法并計算出了3心風機的尸共振頻率，并用局階模態(tài)分析方法分析了幾個具有比亥姆霍茲共振頻率更高的譜峰，用試1收繪蝸殼內(nèi)規(guī)范化的壓分依。后宋黃其柏又在此基礎上提出了蝸殼基頻共振引起的噪聲增量數(shù)學模型，最后推導出了在共振頻率處遠場某點總噪聲聲級增坑為進出氣口以起的噪聲增；利用此式可以對遠場某點總噪聲聲壓級增值進行預測和優(yōu)化。國內(nèi)些試驗己經(jīng)證實了蝸殼基頻共振噪聲在小流2工況的要性?！　?.6聲學相似定律由國際標準化組織推薦的系列確定噪聲功率的標準，同樣也適用于風機。試驗各種不同型式和尺寸的風機需要大量試驗設備和時間，而且費用昂貴。因此將相似定律應用于風機氣動噪聲，能大大降低成本。從而1以根據(jù)1種尺寸風機的試驗資料，對尺寸不同而因次相似的風機系列進行聲功率的1；七101對風機噪聲作了因次分析，且得到了無因次參數(shù)關系式隨機噪聲的頻譜噪聲可有不同的定義，63用矩形尖劈校擬蝸舌付七蝸殼的離心叫輪進行了聲輻射研宄。得出另外，考忠到4機中存在著某種。士源其相似關系為此。換；因次相似的風機噪聲邾！譜，可上面兩個公式的任何個，但是對于同系列而尺寸不同的風機，常數(shù)，3和函數(shù)凡6或尸，6應分，對應相等。　　聲學相似定律的應用也是需要預先知道某因次相似風機的試驗資料才能進行聲輻射計算開展聲學設計也不是單純從理論上直接解決離心風機噪聲問3試驗研究方法3.1進出口管道試驗由于缺乏準確的理論數(shù)據(jù)，因此很多試驗還是基于理論上的定性分析進行試驗，般都采取帶有消聲器的進氣或出氣管道在進出口進行噪聲測里，然后再對試驗結(jié)果進丁頻譜分析以判斷噪聲源和傳播途徑。在試驗過程中通常都會先分別考慮軸向徑向進口間隙蝸殼的擴張角和擴張長度以及蝸舌與葉輪間隙蝸舌傾斜角蝸舌半徑和葉輪類型葉片數(shù)目等參數(shù)，分別分析這些參數(shù)對離心風機噪聲的影響，但是這樣進行分析和試驗的工作量太大，而且忽略了各個參數(shù)之間的相互影響?！　?.2離心風機機殼的聲學優(yōu)化機殼的型線對于離心風機氣動噪聲而言是極其重要的，如何得到優(yōu)良的機殼型線是很多人都關注的問在目前的大多數(shù)研究中，僅是通過修改機殼蝸舌區(qū)域來降低基頻強度。迅化1等改變整個蝸舌形狀來找尋關于產(chǎn)生噪聲的最優(yōu)設計?！　∽鳛榉N試驗工具，扮6米用了植物與動物到戶10這10個變量在各種角向位置時蝸舌壁面離轉(zhuǎn)子軸的距離來描述蝸舌。通過變量戶1到戶10的隨機變動產(chǎn)生組9個后代量，9個后代量最佳型線。但是該試驗程序只考慮到了蝸殼自身參數(shù)的影響，而忽略了葉輪的結(jié)構參數(shù)。　　3.3高心風機結(jié)構的優(yōu)化試驗方法大量的試驗是在保證其他參數(shù)不變的前提下，只改變某個參數(shù)進行試驗得出其優(yōu)化結(jié)構參數(shù)，從而忽略了各個參數(shù)之間的相關性，因此利用優(yōu)化試驗方法正交回歸設計方法，最優(yōu)回歸設計方法等就很有必要。些文獻中己通過不同實例計算出了風機聲壓級與系列參數(shù)之間的回歸函數(shù)關系式，并采用了優(yōu)化方法進行了計算。其基本思想是在選擇離心風機結(jié)構參數(shù)時，考慮到各個矣數(shù)之間的+關刊，在丈際應利優(yōu)化回，方法，通過試驗得到系列數(shù)據(jù)進行目標函數(shù)噪聲值的非線性回歸，得到個非線性方程后進行優(yōu)化設計。例如可將聲壓級1針對8個參數(shù)進行3次回歸設計得出其關系式然后采逐步歸分析法逐個以入變進因子篩選。每引入個新的變量都對前面的變量進行顯著性檢驗，保留其中對5凡影響顯著的變量，剔除對5影響不顯著的變量，從而可以得到個最優(yōu)回歸方程，該方程中包含所有對1影響顯著的變量。這種優(yōu)化手段用較少的試驗就可以得出比較滿意的結(jié)果，但是它不能夠得到各個噪聲源對接受者的貢獻?！　?.4相干分析技術為了彌補述缺陷如汾析技術岜隨相覽機的發(fā)1傾開展了，在嘩聲源的識別中。經(jīng)；遇到的情況所感受，噪聲系來自多個噪聲源，通過相干分析，就1似付個戶1源各內(nèi)付接受者的影響，這1技求已玉內(nèi)應吼閩內(nèi)外文獻已利用相戶分析技術分析離心風機哚聲的源特性及其產(chǎn)生機現(xiàn)，其基木理是基于將噪聲傳遞系統(tǒng)視為個多輸入中輸出的系統(tǒng)系統(tǒng)中備個輸入源之間互不相干，3.　　眷慮蝸殼的離心風機的噪聲模擬及計算是需要解決的問。因此，提出的建議是可以把離心風機蝸殼簡化成個具有硬邊界的理想殼體模型，4.并暫時忽略進出口軟邊界的影響，推導出殼體內(nèi)的格林函數(shù)，而后將此格林函數(shù)推廣到考慮進出口軟邊界的情況，然后利用該函數(shù)對離心風機內(nèi)部由旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的氣動聲場進行時域求解便可以得到理論解方程。在計算出離心風機內(nèi)部的維非穩(wěn)定流場之后，利用該模型和理論解方程就可求出與流場相對應的氣動聲場，這樣就可以彌補蝴其他計算模擬方法的不足，我所正在進行這方面的理論和計算工作，同時也為同行們進行離心風機氣動噪聲計算提供參考。目前，已經(jīng)得到了忽略進出口軟邊界的蝸殼體內(nèi)的格林函數(shù)3.5計算機指導試驗由于試驗設備繁重，工作量大，處理數(shù)據(jù)繁瑣，因此利用電腦監(jiān)控試驗和試驗數(shù)據(jù)的采集和處理是必不可少的，現(xiàn)在可以用微機進行數(shù)字化動靜態(tài)測試分析。虛擬儀器簡稱1和卡泰儀器簡稱0丁人1技術發(fā)展相當迅速，虛擬儀器被稱為是振動噪聲動力學控制技術的革命。05大世普軟件虛擬儀器庫具有國際先進水平的大容量數(shù)據(jù)采集與信號處理軟件系統(tǒng)，其功能強大，用途廣泛，可于進1振動。沖擊。噪聲。信號和，息處理。計算機輔助測式。校態(tài)分析，結(jié)構動力學修改。故障診斷與，基檢測環(huán)境振動與噪聲測試等諸多分析測試工作。只是到目前為止，虛擬儀器在風機行業(yè)中應用還很少，如果能廣泛應用，將會使離心風機的試驗測式。數(shù)據(jù)采集與分析進入外全新的階段，4討論1對于離心風機氣動噪聲而言，數(shù)值模擬及其計算方法還不成熟，不能得出計算離心風機氣動噪聲的理論公式，有的即使得到了聲壓與各參數(shù)之間聯(lián)系，還需要借助試驗來確定具體關系式，顯然這些方法只限于對己有風機進行計算，而不能在對新風機進行氣動設計的同時進行聲學設計。因此根據(jù)此格林函數(shù)求得了蝸殼內(nèi)部聲場的，域解但是由于忽略了蝸殼進出口軟邊界的影響，這個公式與實際情況還有較大差距，因此還有必要對此進行深入研，以得到有進出口軟邊界時蝸殼內(nèi)部的格林函數(shù)并進行時域求解。　　2隨著計算機的飛速發(fā)展，噪聲試驗測試技術發(fā)展比較迅速，些先進的試驗手段己經(jīng)應用于風機上，但還是不夠；在其他行業(yè)，虛擬儀器的使用和仿真試驗已大大減少了人力物力，使得很多難以進行的試驗變得容易開展，建議應使這些先進的試驗手段盡快應用于風機氣動噪聲行業(yè)并不斷開發(fā)拓展其應用范圍