仿鸮翼前緣蝸舌對多翼離心風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲的影響

劉小民,李爍

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

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仿鸮翼前緣蝸舌對多翼離心風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲的影響

劉小民,李爍

(西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,710049,西安)

針對某多翼離心風(fēng)機(jī),受鸮類翅膀前緣結(jié)構(gòu)的啟發(fā),設(shè)計了一種新型降噪結(jié)構(gòu)——仿鸮翼前緣蝸舌?；谀嫦蚬こ谭椒?通過提取長耳鸮翅膀氣動性能較好的40%翼展方向上的翅膀剖面型線,對風(fēng)機(jī)蝸舌進(jìn)行了仿生降噪重構(gòu)設(shè)計,并分別對原型風(fēng)機(jī)和仿生蝸舌風(fēng)機(jī)的氣動性能和噪聲特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。研究結(jié)果顯示,仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)的風(fēng)量較原型風(fēng)機(jī)增加了1.9 m3/min,噪聲下降了1.6 dB,效率提高了3.8%,表明采用仿生蝸舌有效降低了氣流對風(fēng)機(jī)蝸舌的沖擊作用,抑制了流動分離的發(fā)生,在蝸舌附近區(qū)域流場的逆壓梯度明顯減小,渦的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和分布都有所改變。

蝸舌;多翼離心風(fēng)機(jī);仿生設(shè)計;降噪;數(shù)值模擬

多翼離心風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、壓力系數(shù)高、流量系數(shù)大和噪聲低等優(yōu)點(diǎn),所以被廣泛應(yīng)用于吸油煙機(jī)和空調(diào)等通風(fēng)換氣設(shè)備。目前,家電所用多翼離心風(fēng)機(jī)效率低,噪聲性能不盡人意。

傳統(tǒng)的多翼離心風(fēng)機(jī)蝸舌設(shè)計使得葉輪出口氣流對蝸舌沖擊比較強(qiáng)烈,蝸舌區(qū)域的噪聲被看作是多翼離心風(fēng)機(jī)主要的氣動噪聲源之一。蝸舌形狀和蝸舌間隙的微小變動將對風(fēng)機(jī)性能和噪聲產(chǎn)生較大的影響[1],相關(guān)研究包括采用傾斜蝸舌、階梯蝸舌的方法[2-3]和蝸舌消音器[4]來降低風(fēng)機(jī)噪聲,以及不同蝸舌間隙對風(fēng)機(jī)流量和噪聲的影響[5],但是這些研究都未解決降噪成本高、風(fēng)機(jī)風(fēng)量下降、耗能增大的問題。梁之博等將NACA翼型應(yīng)用于風(fēng)機(jī)蝸舌[6],這種改進(jìn)需要根據(jù)經(jīng)驗將NACA翼型進(jìn)行人為彎曲,翼型蝸舌降噪的機(jī)理也未得到充分揭示。

長耳鸮在進(jìn)化過程中形成了獨(dú)特的生物功能——捕食時能夠快速飛行且噪聲極低[7],這種優(yōu)良的空氣動力和噪聲性能與其獨(dú)特的翅膀翼型有著密切的關(guān)系[8]。本文從仿生學(xué)的角度出發(fā),將長耳鸮

翅膀前緣結(jié)構(gòu)應(yīng)用于多翼離心風(fēng)機(jī)的蝸舌設(shè)計,采用Realizablek-ε湍流模型和FW-H方程分別對原風(fēng)機(jī)和仿生蝸舌風(fēng)機(jī)進(jìn)行了流場和聲場的數(shù)值模擬,以考察倒圓角蝸舌(原風(fēng)機(jī)蝸舌)和仿生蝸舌(改進(jìn)風(fēng)機(jī)蝸舌)對多翼離心風(fēng)機(jī)氣動性能和噪聲的影響,揭示仿鸮翼前緣蝸舌的降噪機(jī)理。

1 研究對象

雙進(jìn)氣多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,風(fēng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 雙進(jìn)氣多翼離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

葉輪參數(shù)數(shù)值及類型蝸殼參數(shù)數(shù)值及類型葉片數(shù)Z/個60蝸殼型線不等邊葉輪寬度b/mm136蝸舌半徑r/mm129葉輪外徑D2/mm252蝸舌間隙t/mm56葉輪輪徑比D1·D2-10857蝸殼寬度B/mm160葉片形狀單圓弧葉片蝸殼出口面積/mm×mm160×160葉片厚度δ/mm04葉片進(jìn)口角βb1/(°)75葉片出口角βb2/(°)144葉輪轉(zhuǎn)速n/r·min-1650

2 數(shù)值計算方法

2.1 計算模型及網(wǎng)格劃分

采用Pro/E和ICEM軟件對風(fēng)機(jī)進(jìn)行三維建模和網(wǎng)格劃分。多翼離心風(fēng)機(jī)計算模型分為4個區(qū)域:進(jìn)口區(qū)、葉輪區(qū)、蝸殼區(qū)和出口區(qū)(進(jìn)口區(qū)在風(fēng)機(jī)進(jìn)口向上游延伸0.5D2,出口區(qū)在風(fēng)機(jī)出口下游延伸1.0D2,D2為葉輪外徑),各個區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2a所示?？紤]到風(fēng)機(jī)內(nèi)流動狀況的復(fù)雜性,網(wǎng)格劃分采用了四面體和六面體組成的混合網(wǎng)格,葉輪葉片和蝸殼壁面進(jìn)行了邊界層網(wǎng)格劃分,葉輪區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密,如圖2b所示。在網(wǎng)格劃分時,根據(jù)數(shù)值計算中湍流模型近壁方程的要求,網(wǎng)格區(qū)域的y+應(yīng)在30到70之間。

為了保證數(shù)值計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性,首先進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)進(jìn)口區(qū)網(wǎng)格數(shù)約為18萬、葉輪區(qū)網(wǎng)格數(shù)約為120萬、蝸殼區(qū)網(wǎng)格數(shù)約為387萬、出口區(qū)網(wǎng)格數(shù)約為5萬時,數(shù)值模擬獲得的風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口壓差的偏差不大于0.2%。考慮到網(wǎng)格數(shù)過多會耗費(fèi)較長的計算時間,本文計算模型劃分的網(wǎng)格數(shù)在530萬左右。根據(jù)計算需要,將計算網(wǎng)格分為2個區(qū),即旋轉(zhuǎn)區(qū)和靜止區(qū),其中旋轉(zhuǎn)區(qū)為葉輪區(qū),其余部分為靜止區(qū)。

(a)整體網(wǎng)格

(b)蝸舌附近網(wǎng)格圖2 多翼離心風(fēng)機(jī)計算網(wǎng)格劃分

2.2 流場計算

2.2.1 定常計算 采用CFD商業(yè)軟件Fluent對多翼離心風(fēng)機(jī)性能及其內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值計算。風(fēng)機(jī)進(jìn)口采用壓力進(jìn)口邊界條件,進(jìn)口全壓為101 325 Pa,風(fēng)機(jī)出口采用壓力出口邊界條件,出口靜壓為101 325 Pa,控制方程采用Reynolds時均N-S方程,湍流計算采用Realizablek-ε雙方程模型和Scalable Wall Function近壁方程,壓力速度耦合采用SIMPLE算法,壓力離散格式采用PRESTO格式,動量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二階迎風(fēng)格式,旋轉(zhuǎn)區(qū)采用多參考系模型,動、靜區(qū)交界面為Interface邊界條件,收斂殘差為10-4。

2.2.2 非定常計算 定常計算收斂后進(jìn)行非定常計算。旋轉(zhuǎn)區(qū)改用滑移網(wǎng)格模型,時間項采用二階隱式格式,非定常計算的時間步長用下式確定

Δt=60/KnZ

(1)

式中:K為一個非定常計算周期的時間步數(shù)(K=30);n為葉輪轉(zhuǎn)速;Z為葉片數(shù)。通過式(1)計算得到的時間步長為5.128 2×10-5s,在風(fēng)機(jī)內(nèi)單側(cè)葉輪軸向1/3截面處布置了6個監(jiān)測點(diǎn),以監(jiān)測風(fēng)機(jī)內(nèi)非定常流動狀況?？紤]到蝸舌區(qū)域流動的復(fù)雜性,在蝸舌區(qū)域布置了3個監(jiān)測點(diǎn),在蝸殼內(nèi)θ=90°,180°,270°位置布了3個監(jiān)測點(diǎn),如圖3所示。在計算了0.738 46 s(葉輪旋轉(zhuǎn)8圈)后,風(fēng)機(jī)內(nèi)各個監(jiān)測點(diǎn)的靜壓變化具有明顯的周期性特征,表明風(fēng)機(jī)內(nèi)流動達(dá)到了穩(wěn)定流動狀態(tài)。

(a)監(jiān)測點(diǎn)布置(b)監(jiān)測點(diǎn)所在風(fēng)機(jī)截面圖3 計算過程中風(fēng)機(jī)內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)布置

2.3 噪聲計算

采用FW-H方程[9-10]對多翼離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲進(jìn)行了計算。FW-H方程為

(2)

(3)

(4)

式中:p′為在t時刻的聲壓強(qiáng);ρ、ui、Pij分別代表密度、速度和應(yīng)力張量;Tij為Lighthill張量;δij為克羅內(nèi)克(Dirac)符號;H(f)為Heaviside函數(shù);δ(f)為Dirac函數(shù)。

方程(2)右側(cè)3項分別是單極子源項、偶極子源項和四極子源項,其中單極子源和偶極子源取決于運(yùn)動物體對流體的作用(單極子源為運(yùn)動物體不斷插入和移出某一空間而引起的壓縮和膨脹,偶極子源為物體運(yùn)動引起的物體表面升力變化對流體產(chǎn)生的脈動推力),單極子源和偶極子源為面聲源。在亞聲速流動中,由面聲源產(chǎn)生的噪聲占?xì)鈩釉肼暤慕^大部分。四極子源是體聲源,是流體自身湍流運(yùn)動所致的流體與流體的相互作用,只有在跨聲速或超聲速時,四極子噪聲才會突顯。因此,在本文多翼離心風(fēng)機(jī)的噪聲計算中,四極子源忽略不計,則方程(2)的解可以表示為

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

Lr=L·r=Liri;Un=U·n=Uini

式中:r為由聲源點(diǎn)指向接收點(diǎn)的單位向量;n為平面單位法向量。

將2.2.2節(jié)中非定常計算獲得的流場結(jié)果加入FW-H聲學(xué)方程后,設(shè)置風(fēng)機(jī)的葉輪和蝸殼為噪聲源,并按照GB/T 17713—2011《吸油煙機(jī)噪聲實(shí)驗方法》中全球包絡(luò)法的規(guī)定設(shè)置噪聲接收點(diǎn),以便與試驗進(jìn)行對比。將風(fēng)機(jī)置于半徑為1.414 m的球面中心,4個監(jiān)測點(diǎn)A、B、C、D分別均勻布置在比被測風(fēng)機(jī)中心低1 m的水平平面與球表面相交而成的圓周上,如圖4所示。在以上計算的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行0.092 3 s(即葉輪旋轉(zhuǎn)1圈)的非定常噪聲計算,計算完成后,通過快速Fourier變換(FFT)得到噪聲計算結(jié)果。

圖4 全球包絡(luò)法噪聲測量示意圖

葉片的通過頻率可按下式計算

(10)

式中:I為諧波序號(I=1時為基頻)。通過式(10)計算得到的風(fēng)機(jī)基頻為650 Hz,波長為0.523 1 m。由于波長遠(yuǎn)大于風(fēng)機(jī)的特征尺寸,因此噪聲計算中蝸殼和葉輪之間噪聲的反射、衍射和散射作用可以忽略不計。

3 數(shù)值計算有效性驗證

通過上述方法計算得到的多翼離心風(fēng)機(jī)流量為16.0 m3/min,出口全壓為65.2 Pa,噪聲為70.6 dB。風(fēng)機(jī)的噪聲頻譜如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)的噪聲頻譜圖

氣動噪聲主要分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的葉片掠過蝸舌附近時就會出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動,此種脈動產(chǎn)生的噪聲稱為旋轉(zhuǎn)噪聲。渦流噪聲又稱寬頻噪聲,主要是由葉片與流體相互作用、葉片尾緣的分離尾跡流動、渦脫落等幾種因素引起的。

旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率可用式(10)計算,基頻(I=1)為650 Hz,次頻(I=2)為1 300 Hz。從圖5可以看出,風(fēng)機(jī)的頻譜同時呈現(xiàn)出明顯的離散頻譜特性和寬頻頻譜特性,圖中2個峰值分別與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻和次頻吻合,表明噪聲模擬方法有效、可靠。

風(fēng)機(jī)性能的數(shù)值計算的有效性驗證實(shí)驗按照GB/T 17713—2011《外排式吸油煙機(jī)空氣性能實(shí)驗方法》進(jìn)行,噪聲實(shí)驗按照GB/T 17713—2011《吸油煙機(jī)噪聲實(shí)驗方法》進(jìn)行。試驗和計算結(jié)果對比見表2。

表2 風(fēng)機(jī)性能的實(shí)驗與計算結(jié)果對比

對比結(jié)果表明,計算方法可靠,可以準(zhǔn)確模擬風(fēng)機(jī)的氣動性能和噪聲。

4 仿生設(shè)計及應(yīng)用

4.1 長耳鸮靜音飛行的生物特性

鸮以老鼠等嚙齒動物為食,這些動物都有敏銳的聽力,鸮必須靠無聲滑翔[11]才能接近獵物,因此鸮類(尤其是長耳鸮)的飛行噪聲顯著低于其他鳥類[12]。研究表明[13],鸮類能夠靜音飛行是因為鸮類翅膀具有特殊的生物結(jié)構(gòu):初級飛羽前緣的鋸齒形態(tài)、后緣的“劉海”以及從翼根到翼尖由不同弦長和形狀的翼型沿翅膀前緣線緊密排列而成的特別的翅膀翼型。通過對仿鸮類前緣NACA0015翼型和仿鸮類尾緣NACA0018翼型的氣動性能和噪聲特性的研究[14-15],指出仿生翼型能在保持氣動性能基本不變或者有所提高的基礎(chǔ)上,其氣動噪聲會有不同程度的下降。本文將長耳鸮特殊的翅膀翼型應(yīng)用于多翼離心風(fēng)機(jī)的蝸舌設(shè)計,以提高風(fēng)機(jī)性能,降低風(fēng)機(jī)噪聲。

4.2 鸮翼前緣提取

長耳鸮翅膀剖面的上、下表面曲線可由下式計算

zupper=zc+zt

(11)

zlower=zc-zt

(12)

式中:zupper、zlower分別為鸮翼上、下表面曲線的坐標(biāo);zc為鸮翼中弧線坐標(biāo);zt為鸮翼厚度分布。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]給出的翼型中弧線和厚度計算方法,采用Birnbaum-Glauerth函數(shù)[17],得到鸮翼中弧線坐標(biāo)計算公式

(13)

式中:η=x/c為鸮翼弦線的相對坐標(biāo);x為鸮翼弦線方向上的坐標(biāo);zc(max)為鸮翼平均化彎度;c為鸮翼弦長;Sk為描繪鸮翼分布的多項式系數(shù);k為多項式系數(shù)序號。

鸮翼厚度分布計算式為

(14)

式中:Ak是描繪鸮翼分布的多項式系數(shù);z/c為鸮翼相對厚度。根據(jù)文獻(xiàn)[18]掃描獲得的長耳鸮翅膀點(diǎn)云圖,通過主要幾何特征的提取和數(shù)據(jù)擬合,得到長耳鸮翅膀沿翼展方向從0%～70%剖面的Sk和Ak,見表3。

表3 中弧線和厚度分布公式中的系數(shù)

根據(jù)上述各式,提取出鸮翼中流動性能較好的沿翼展方向40%處的剖面型線如圖6所示。取翼型前緣的6.5%對風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿生蝸舌設(shè)計。

圖6 翼展方向40%處的剖面型線

4.3 仿鸮翼前緣蝸舌設(shè)計

在多翼離心風(fēng)機(jī)的設(shè)計中,蝸舌間隙太小,葉輪出口氣流對蝸舌將產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊作用,使得噪聲增大;蝸舌間隙太大,雖然沖擊作用減弱,但是風(fēng)機(jī)流出氣流減少,在蝸殼內(nèi)循環(huán)流動的氣流增多,從而增加了風(fēng)機(jī)的耗能,降低了風(fēng)機(jī)的效率,減少了風(fēng)機(jī)的流量。通過對原型風(fēng)機(jī)優(yōu)化,得到了該型號風(fēng)機(jī)最佳的蝸舌間隙,因此在仿鸮翼前緣蝸舌設(shè)計時采用了優(yōu)化后的蝸舌間隙。

基于逆向工程方法和仿生重構(gòu)的概念,將提取出的生物翼型經(jīng)過適當(dāng)縮放后,沿弦長取前緣0%～6.5%的部分對風(fēng)機(jī)蝸舌進(jìn)行仿生設(shè)計。設(shè)計過程中,生物翼型最前緣與原型蝸舌最前緣保持相切,鸮翼翼型前緣上側(cè)型線為仿生蝸舌的上側(cè)型線。設(shè)計蝸舌下側(cè)型線時蝸舌間隙保持不變,仿生翼型蝸舌型線和倒圓角蝸舌型線不能完全重合,蝸舌間隙最大變化量不得超過0.2 mm,如圖7所示。為了保持風(fēng)機(jī)出口面積不變,對蝸殼出口左側(cè)型線進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,仿生設(shè)計風(fēng)機(jī)和原型風(fēng)機(jī)的蝸殼型線及其比較如圖8所示。

圖7 仿鸮翼前緣蝸舌示意圖

4.4 仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)的數(shù)值模擬

和原型風(fēng)機(jī)相同,將仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)分為4個區(qū),總網(wǎng)格數(shù)為5 263 259,其中進(jìn)口區(qū)為148 551,葉輪區(qū)為1 193 160,蝸殼區(qū)為3 867 148,出口區(qū)為54 400。采用本文2.2節(jié)所述的流場模擬設(shè)置和2.3節(jié)噪聲模擬方法,對仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)進(jìn)行了數(shù)值計算。原型與仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)的模擬結(jié)果見表4,二者噪聲的A聲級倍頻程頻譜如圖9所示。

表4 原型和仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)的模擬結(jié)果

圖9 原型與仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)噪聲的A聲級倍頻程頻譜圖

從表4可以看出,仿生蝸舌風(fēng)機(jī)比原型風(fēng)機(jī)的流量增大了1.9 m3/min,出口全壓提高了14.4 Pa,效率提高了3.8%,噪聲降低了1.6 dB?？梢?仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)的氣動性能和噪聲性能都明顯優(yōu)于原型風(fēng)機(jī)。從圖9可以看出,仿鸮翼前緣蝸舌風(fēng)機(jī)在絕大部分頻率范圍內(nèi)的A聲級噪聲都小于原型風(fēng)機(jī)。

5 結(jié)果分析

從蝸舌區(qū)域壓力云圖(見圖10)中可以看出,原型蝸舌區(qū)域壓力梯度多處呈明顯的突變狀態(tài),而仿鸮翼前緣蝸舌的壓力梯度在大部分區(qū)域分布比較均勻,壓力梯度劇烈變化區(qū)域明顯減小,梯度減小,表明仿鸮翼前緣蝸舌具有較好的分流效果,葉輪出口氣流對蝸舌頂部的沖擊作用明顯減弱,從而減小了旋轉(zhuǎn)噪聲,提高了風(fēng)機(jī)效率。此外,在原型蝸舌上側(cè)和下側(cè)分別存在2個明顯的逆壓梯度區(qū),逆壓梯度區(qū)的存在使蝸舌區(qū)域流動容易產(chǎn)生回流,進(jìn)而導(dǎo)致邊界層分離,寬頻噪聲增大。采用仿鸮翼前緣蝸舌后逆壓梯度區(qū)基本消失,蝸舌區(qū)域的流動得到優(yōu)化,風(fēng)機(jī)效率提高,蝸舌區(qū)域的寬頻噪聲減小。

(a)原型蝸舌 (b)仿生蝸舌圖10 蝸舌區(qū)域壓力云圖

從蝸舌區(qū)域渦量云圖(見圖11)中可以看出,與原型蝸舌區(qū)域渦量相比(圖11中箭頭所示),仿鸮翼前緣蝸舌上側(cè)和下側(cè)的高渦量區(qū)基本消失,表明仿鸮翼前緣蝸舌區(qū)域比原型蝸舌區(qū)域的渦量明顯減小,湍流邊界層導(dǎo)致的蝸舌表面壓力脈動減小,蝸舌區(qū)域的寬頻噪聲降低。

(a)原型蝸舌 (b)仿生蝸舌圖11 蝸舌區(qū)域渦量云圖

分別選取原型蝸舌區(qū)域和仿鸮翼前緣蝸舌區(qū)域為噪聲源,且用相應(yīng)聲壓級大小直接反映蝸舌表面的壓力脈動的強(qiáng)弱,如圖12所示。從圖12中多翼離心風(fēng)機(jī)的噪聲頻譜可以看出,仿鸮翼前緣蝸舌區(qū)域的噪聲明顯低于原型蝸舌區(qū)域的噪聲,表明仿生蝸舌的表面壓力脈動明顯低于原型蝸舌,宏觀上表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)蝸舌區(qū)域的寬頻噪聲下降。

圖12 原型蝸舌與仿生蝸舌的多翼離心風(fēng)機(jī)噪聲頻譜對照圖

從渦核心區(qū)分布圖(見圖13)可以看出,相比于原型蝸舌,仿生蝸舌上側(cè)和下側(cè)的渦脫落明顯減少、變薄,根據(jù)渦聲理論,聲波的產(chǎn)生同流體中的旋渦和勢流,以及旋渦之間的相互作用有密切關(guān)系,渦脫落的減少直接表明蝸舌區(qū)域噪聲降低。

(a)原型蝸舌 (b)仿生蝸舌圖13 蝸舌區(qū)域渦核心區(qū)分布圖

6 結(jié) 論

(1)通過與試驗結(jié)果的對比表明,本文建立的數(shù)值計算模型和基于Realizablek-ε湍流模型與FW-H方法相結(jié)合對多翼離心風(fēng)機(jī)的性能和噪聲的模擬是有效的。

(2)仿鸮翼前緣蝸舌在很大程度上改善了多翼離心風(fēng)機(jī)的氣動性能和噪聲特性,與原型風(fēng)機(jī)相比,在流量和壓力分別提高1.9 m3/min和14.4 Pa的同時,噪聲降低了1.6 dB。

(3)采用仿鸮翼前緣蝸舌有效減小了氣流對蝸舌的沖擊作用,減少了蝸舌區(qū)域的渦脫落。由于仿鸮翼前緣蝸舌繼承了長耳鸮低噪飛行的生物功能,所以在下一步的研究中可以考慮將鸮翼前緣形狀擴(kuò)展到各類中、低速風(fēng)機(jī)蝸舌的仿生設(shè)計中。

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(編輯 苗凌)

Effects of Bionic Volute Tongue Bioinspired by Leading Edge of Owl Wing on Aerodynamic Performance and Noise of Multi-Blade Centrifugal Fan

LIU Xiaomin,LI Shuo

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Bionic volute tongue bioinspired by the leading edge of owl wing, a new type of noise-reduction structure, is designed for multi-blade centrifugal fan. Adopting reverse engineering method, the section profile in the position of 40% spanwise of the wing of a long-eared owl, whose aerodynamic performance is relatively excellent, is extracted to restructure the bionic volute tongue. Numerical simulations are respectively conducted to investigate the aerodynamic performance and noise characteristics of the prototypical fan and the developed fan with the bionic volute tongue. Compared with the prototypical fan, the volume flow rate of the bionic fan is increased by 1.9 m3/min, while the noise is decreased by 1.6 dB and the efficiency is increased by 3.8%. The bionic volute tongue bioinspired by the leading edge of owl wing facilitates weakening the impact of the airflow to the volute tongue of multi-blade centrifugal fan, and the flow separation is suppressed effectively. Near the volute tongue, the adverse pressure gradient is reduced significantly, and the corresponding vortex’s structure, distribution and intension are also changed.

volute tongue; multi-blade centrifugal fan; bionic design; noise reduction; numerical simulation

2014-06-12。

劉小民(1971—),男,副教授。

高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金資助項目(20120201110064);陜西省科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計劃資助項目(2014K06-24)。

時間:2014-10-31

10.7652/xjtuxb201501003

TH432

A

0253-987X(2015)01-0014-07

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20141031.1642.005.html