裝載機軸流風扇的氣動聲學性能優化與分析

·設計計算·

裝載機軸流風扇的氣動聲學性能優化與分析

張士偉1,陳長征1,周勃2

(1.沈陽工業大學機械工程學院 沈陽 110870；2.沈陽工業大學建筑工程學院 沈陽 110870)

摘要：葉尖間隙是影響風扇的效率和噪聲重要因素之一，選擇合適的葉尖間隙，對降低風扇噪聲和保障風扇效率有重要意義。針對某軸流冷卻風扇，利用流體分析軟件Fluent對冷卻風扇進行了流場仿真分析和優化，研究了葉尖間隙對氣動噪聲的影響規律。結果表明，當葉尖間隙為7 mm時，風扇降噪效果理想，在保證風扇冷卻性能的基礎上，較明顯降低了風扇噪聲。仿真結果與實驗結果一致，從而證明該優化方案是可行的。

關鍵詞：裝載機；葉尖間隙；軸流風扇；氣動噪聲

中圖分類號：Th132.1文獻標識碼：A

收稿日期：2015-04-23；修訂日期：2015-05-22

基金項目：中國博士后科學基金(2014M560220)；國家科學支撐計劃(2013BAF07B04)

作者簡介：張士偉(1983-)，男，沈陽工業大學博士研究生，研究方向：振動噪聲控制。

The optimization and analysis of aerodynamic acoustic performance of the axial flow fan used in loader

ZHANG Shi-wei1, CHEN Chang-zheng1, ZHOU Bo2

(1. School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870， China；

2. Architectural and Engineering Institute, Shenyang University of Technology， Shenyang 110870, China)

Abstract：As the tip clearance is an important factor for the efficiency and noise of the fan, selecting appropriate tip clearance is important. For the axial flow fan, in this paper, the fan’s fluid field is analyzed and its parameter is optimized by fluent analysis software. The effect of tip clearance on aerodynamic noise is also researched. The simulation results show that de-noising achieve an ideal effect when the tip clearance value is 7mm. The simulation results are in agreement with the experimental results, it proves that optimization scheme is useful and effective.

Keywords：loader; tip clearance; axial fan; aerodynamic noise

0前言

裝載機在工作過程中產生的噪聲危害人們健康，因此對裝載機噪聲控制的研究逐漸受到重視[1]。其中，冷卻風扇噪聲為裝載機的主要噪聲之一。葉尖間隙的存在使風扇頂部的流場較為復雜，因迎風面和背風面壓力差產生的泄露流影響風扇的流場和氣動性能。如何選擇風扇使之在滿足工作效率的基礎上實現降低裝載機的噪聲成為迫切解決的問題。

當氣流流經旋轉的葉片時，內部流場很復雜，葉尖和葉根可能會產生漩渦，這些漩渦相互作用，導致氣流不穩定，產生氣流噪聲。很多學者采取很多措施，如改變葉片的形狀、葉尖間隙等。You等設計了尾緣為鋸齒狀的葉片，并用數值模擬和實驗對原葉片和鋸齒狀葉片做了比較，發現鋸齒狀葉片不僅減少了尾流，還降低了氣動噪聲[2]；Fukano 等研究了葉尖間隙對軸流風扇噪聲的影響，葉尖間隙泄露是主要噪聲源，當葉尖間隙變大時，葉尖渦產生的寬頻噪聲減小[3]。文獻[4]中建立了風扇性能計算的CFD模型，通過對比仿真值和試驗值，驗證了模型的正確性。上官文斌等利用CFD軟件計算了某發動機冷卻風扇的靜壓、效率、功率和流量的關系，并用實驗結果驗證了計算結果，并指出葉尖間隙對風扇性能有重要影響[5]。

本文以裝載機某冷卻風扇為研究對象，用CFD方法模擬風扇的流場，分析葉尖間隙對風扇氣動聲學的影響，選取合適的參數，使冷卻風扇在滿足散熱要求的基礎上，降低了軸流風扇噪聲。

1風扇氣動噪聲理論

湍流模型的控制方程如下。

連續方程

?U1/?xi=0

(1)

式中，Ui為時均速度。

動量方程

(2)

式中，μ為動力學黏性系數；μr為湍流黏性系數；μr為湍動能，μr=ρCμk2/ε；ε為湍動能耗散率；Cμ為模型常數，Cμ=0.09。

湍動能的輸運方程

Gk-ρε

(3)

式中，μeff=μ+μr；Cμ=0.0845；αk=αε=1.39；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產生項。

(4)

湍動能耗散方程

(5)

其中，

η0=4.377;β=0.012;C2ε=1.68。

2風扇建模及邊界條件的設定

圖1為該風扇葉尖氣流流動示意圖，在葉片的吸力面形成葉尖渦。風扇外徑為750 mm，輪轂直徑為225 mm，輪轂比為0.3，葉片數為5，葉片等距分布，葉片厚度3.4 mm。為了使CFD模擬更為精確，將原模型中的螺栓去掉，并將一些孔洞簡化為實體。

圖1　風扇葉尖氣流流動示意圖 Fig.1　Schematic diagram of air flow in the fan tip

將風扇模型在PRO/E中以step格式保存，導入到workbench中進行前處理。鑒于風扇模型較為復雜，在葉片邊緣將網格加密以保障計算精度，將風扇計算區域分為入口、出口和旋轉區，如圖2所示。旋轉區網格劃分準確與否直接影響計算結果的精度，甚至正確性。因此對旋轉區網格劃分方式采用對復雜模型適應性強的四面體網格劃分方式。

圖2　網格劃分 Fig.2　Mesh generation of the fan

風扇入口處總壓為大氣壓力，出口相對大氣壓力為0，將入口面和出口面分別設置為入口條件和出口條件，其它設置為壁面，風扇葉片設為移動壁面條件。

3風扇性能計算和結果分析

隨著流量減少, 風扇內部紊流加強, 流場不穩定性增加, 用穩態算法計算將難以收斂, 故只摘取風扇穩定工況的數據。計算結果如圖3所示，風扇葉片間隙為15 mm。隨著流量減少, 靜壓不斷增加,功率先變小后增大；風扇最大流量為10.25 m3/s, 而在流量為5.61 m3/s附近風扇靜壓效率達到最大。

圖3　風扇性能數值計算結果 Fig.3　Numerical computation results of the fan performance

圖4為風扇葉片動壓分布云圖，由圖4看出：風扇的最大動壓出現在葉片頂部的尾緣區域，因為湍流變化，尾緣區域的動壓是瞬時變化的，進而引發周圍氣體流動不再均勻,并激發出噪聲，因此該區域是風扇的一個聲源，即葉片頂部的渦流噪聲，這是由于葉片前緣和后緣的渦流交互作用產生的。

圖4　風扇葉片動壓分布云圖 Fig.4　Dynamic pressure distribution of the fan blade

如圖5所示，旋轉區域內流體的流線直觀地展示出氣流的流動狀態。從圖5中可知，回流區位于風扇葉片頂部，阻礙氣流流動，導致回流損失。風扇的旋轉將入口處進入的氣體帶動著與葉片一同旋轉，氣流在入口處變得不穩定，湍流增加；由于葉尖泄漏流的存在，葉片頂部流線較為混亂。同樣在出口處，氣體流動也不穩定，并伴有葉尖回流，在經過較長距離的出口管道后流體在管道出口附近流動狀態逐漸變得穩定。

圖5　流線圖 Fig.5　 Streamline diagram of the fan

風扇性能取決于風扇與護風罩之間的葉尖間隙的合理布置，葉尖間隙取得過大會顯著降低風扇效率和壓頭，增大風扇的噪聲；葉尖間隙取得過小，對風扇的安全運行不利，尤其當風扇外殼發生變形時，可能導致葉尖與機殼內壁產生刮擦，嚴重時會燒壞電機甚至引發葉片折斷事故。

由表1可知：空氣流量隨著冷卻風扇與導風罩之間的徑向間隙變小而增大，靜壓隨著徑向間隙的增大而減小。葉尖間隙變大會降低風扇制造成本，但風扇效率也會降低，這是因為葉高方向上圓周速度線性增加，增強了風扇做功能力，但葉尖處有較大的回流區，使壓力迅速降低。

表1　不同徑向間隙下流量和靜壓

圖6為徑向間隙與風扇噪聲的關系圖，隨著徑向間隙變小，風扇噪聲也減小；而當徑向間隙大于20 mm時，噪聲值的增幅明顯，這是因為徑向間隙過大使得風扇葉頂間隙處產生較大的渦流噪聲。當徑向間隙取值為19 mm時，降噪效果比原風扇降噪效果理想，但因徑向間隙過大，降低了風扇的工作效率；當徑向間隙小于11 mm時,噪聲值減小幅度較大, 當徑向間隙取值為7 mm降噪效果理想。過小的徑向間隙可能導致葉尖與機殼內壁產生刮擦，引起工作事故，綜合考慮可選徑向間隙為7 mm。

圖6　徑向間隙與風扇噪聲的關系圖 Fig.6　Change curve of the fan noise with clearance

4實驗驗證

實驗條件：大氣壓力為101 933 Pa，相對濕度為48.06%，大氣溫度28.06 ℃，風扇轉速為2 400 r/min，背景噪聲為51.2 dB(A)。

圖7為風扇氣動噪聲的測量裝置圖，測點布置如圖所示，測點1距離風扇1m,測點2距離風扇中心1m,且與風扇軸線成45°。

圖7　實驗測量示意圖 Fig.7　Schematic diagram of the experimental measurements

所用實驗設備有測速儀、風扇噪聲測試專用試驗臺、試驗用風扇及護風圈。

圖8為風扇改進前后噪聲情況的對比圖，改進后的風扇降低了噪聲聲壓級。改進前徑向間隙為15 mm,改進后徑向間隙為7 mm。隨著轉速的增加，改進前后的噪聲值都增大，并且隨著轉速的增加，兩者之間的聲功率級差值逐漸變大。改進后的風扇聲壓級低于改進前風扇聲壓級，這是由于改進后風扇的葉尖間隙改善了氣流的流動。因此，風扇的葉尖間隙取值7 mm時可有效降低噪聲。

圖8　風扇改進前后噪聲情況對比 Fig.8　Noise contrast of the fan before and after improved

5結論

針對某款軸流冷卻風扇，本文利用流體分析軟件Fluent對冷卻風扇進行了流場仿真分析和優化，研究了葉尖間隙對氣動噪聲的影響。過大的葉片間隙會導致風扇效率降低，風扇噪聲隨著葉尖間隙的減小而降低，但過小的葉尖間隙可能導致葉尖與機殼內壁產生刮擦，嚴重時會燒壞電機甚至引發葉片折斷事故，因此葉尖間隙并非越小越好。實驗結果證明了改進后的風扇降低了噪聲，表明該改進方案的可行性，為改進方案為風扇的前期設計提供了參考。

參考文獻：

[1]蔣真平，朱喜林. 輪式裝載機輻射噪聲分析與控制[J]. 噪聲與振動控制, 2008,(2)：92-94.

[2]You Bin, Chen Zhi-Ming, Ma Lie, et al. Numerical analysis and experimental research on the internal flow characteristic of axial flow fan with tooth shaped trailing edge[J]. J Eng Thermophys, 2007,28(4)：18-21.

[3]Fukano T, Jang C-M. Tip clearance noise of axial flow fans operating at design and off-design condition[J]. J Sound Vib 2004,275:1027-50.

[4]上官文斌，吳敏，王益友，等. 發動機冷卻風扇氣動性能的計算方法[J].汽車工程，2010, 32(9):799-804.