某型空調(diào)室外機風機的氣動噪聲數(shù)值計算研究

馬麗華

(廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東佛山，528311)

某型空調(diào)室外機風機的氣動噪聲數(shù)值計算研究

馬麗華

(廣東美的暖通設(shè)備有限公司，廣東佛山，528311)

以某型號空調(diào)室外機軸流風機為研究對象，利用ANSYS Fluent軟件,預估了風機表面氣動噪聲源的分布并預測了遠場接收點位置噪聲特性。用數(shù)值計算的方法預測空調(diào)風機的氣動噪聲為空調(diào)風機的降噪設(shè)計提供參考。對空調(diào)系統(tǒng)中其他部件的聲源識別和頻譜特性分析也具有一定的借鑒意義。

軸流風機；氣動噪聲；數(shù)值計算

0 引言

隨著人們對生活品質(zhì)的要求越來越高,在注重室內(nèi)機噪音的同時對空調(diào)室外機的噪音問題的關(guān)注也日趨增高。作為空調(diào)外機核心部件之一的軸流風機，其產(chǎn)生氣動噪聲也是引起空調(diào)室外機噪音的一個重要的噪音源。氣動噪聲數(shù)值模擬計算作為噪聲研究的一種輔助手段，能夠可視化、形象化地展示聲源分布以及頻譜特性等特征，為空調(diào)風機降噪設(shè)計以及改進提供參考依據(jù)，并且大大縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，節(jié)省實驗資源，因此越來越受到重視。

1 氣動噪聲基本理論

氣動噪聲主要是由于葉輪旋轉(zhuǎn)時氣體的非穩(wěn)定流動而導致的氣體與氣體以及氣體與固體壁面相互作用產(chǎn)生的噪聲。軸流風機的氣動噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲又稱為離散噪聲或葉片通過頻率噪聲，是由于葉輪旋轉(zhuǎn)引起葉片周期性地擾動附近的氣體產(chǎn)生。其頻率如式1：

式中：n---葉輪轉(zhuǎn)速（rpm）

Z---葉片數(shù)

i---諧波序號，i=1時為基頻，i=2,3,4，……時為高次諧音。從噪聲強度來看，基頻最強，其高次諧音的趨勢是逐漸減弱的[1]

渦流噪聲又稱為湍流噪聲或?qū)掝l噪聲，主要由于紊流邊界層、葉尖渦、旋渦脫落等引起的壓力脈動導致，這些壓力脈動呈現(xiàn)出隨機性，在頻譜圖上呈現(xiàn)明顯的連續(xù)譜，有很寬的頻率范圍[2]。

2 計算模型及網(wǎng)格劃分

本文所研究的空調(diào)室外機中所使用的軸流風機的參數(shù)為：葉輪外徑為580 mm，高度為190 mm，葉片數(shù)為3，計算模型中保留空調(diào)室外機的外殼、導流圈以及電機支架等其主要結(jié)構(gòu)部件，進、出口段適當延長以保證流動的充分發(fā)展。仿真模型示意圖,如圖1所示。

鑒于空調(diào)室外機中所使用的軸流風機曲面的不規(guī)則性以及整個外機流場結(jié)構(gòu)的復雜性，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難，為了降低劃分網(wǎng)格所耗費的時間，因此，整個數(shù)值模型采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格劃分。整個模型共生成網(wǎng)格數(shù)約500萬，其中對風機區(qū)域進行局部加密處理，而外圍空間所劃分的網(wǎng)格則相對稀疏。

圖1 仿真模型示意圖

3 邊界及流場計算條件設(shè)置

穩(wěn)態(tài)流動分析湍流模型采用Realizable k-e模型，進出口分別采用壓力進口和壓力出口邊界條件，風輪區(qū)域設(shè)為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，采用旋轉(zhuǎn)坐標系（MRF）模型，給定轉(zhuǎn)速為850rpm，導流圈及其他結(jié)構(gòu)件給定標準壁面邊界條件。

穩(wěn)態(tài)流動計算穩(wěn)定之后，將旋轉(zhuǎn)區(qū)域改為滑移網(wǎng)格模型（Mesh Motion）,湍流模型改為大渦模擬模型（LES）進行瞬態(tài)流場模擬計算，并將穩(wěn)態(tài)流動計算的結(jié)果作為進行瞬態(tài)流動模擬的初始條件，時間步長Δt 設(shè)定為0.000353s，根據(jù)采樣定理[3]可分析的最高頻率約為1416HZ。

4 結(jié)果分析

4.1 噪聲源分布計算結(jié)果及分析

采用Broadband模型計算噪聲源的分布，計算結(jié)束后提取風機表面的聲功率級分布結(jié)果，如圖2所示。

從圖2風機表面的氣動噪聲聲功率級分布云圖可以看出，風機表面的氣動聲源主要分布在葉片的前緣、尾緣以及葉頂附近區(qū)域。其中葉頂附近的區(qū)域?qū)υ肼曉吹呢暙I最大，這是由于葉片的壓力面與吸力面之間存在壓差，使得葉頂附近存在氣流泄露，而葉頂泄露所形成的漩渦脫落所引起的[4]。葉根附近區(qū)域的流速比較低,氣流擾動小,因此這一區(qū)域附近的聲功率級比較低，對噪聲貢獻度比較小。

由于氣體在吸力面的附面層容易加厚并產(chǎn)生渦流以及渦流脫落而導致渦流噪聲，使得在靠近葉頂區(qū)域，吸力面的聲源強度明顯高于壓力面。但因本文中風輪的吸力面采用了特殊的凹圓結(jié)構(gòu)，使得吸力面的凹圓結(jié)構(gòu)區(qū)域的聲源強度相對比較小。

風機的前緣附近的分離渦以及靠近尾緣的脫落渦而引起的葉片表面壓力波動是這兩個位置聲源強度較大的原因。本文所涉及的風機獨特的尾緣凹陷結(jié)構(gòu)減弱了尾緣脫落渦引起的噪聲，使得尾緣只在靠近葉頂附近的聲源強度有些大。

圖2 風機表面的氣動噪聲聲功率級分布云圖

4.2 遠場噪聲計算結(jié)果及分析

首先利用大渦模擬（LES）模型求解瞬態(tài)流場，獲得滿足時間精度要求的壓力脈動值，然后激活FW-H噪聲模型，計算遠場噪聲的產(chǎn)生和傳播。獲取聲音接收點的壓強信號后應(yīng)用傅里葉變換（FFT）處理，得到遠場接收點的噪聲特性。噪聲源選取風輪，噪聲接收點選在風輪出口正前方1m處。

由公式1可知，本文所模擬的軸流風機的基頻為42.5HZ。圖3截取了軸流風機噪音在0-500HZ的噪聲特性曲線，從圖中可以看出在風機的基頻處峰值最高，同時在與風機的旋轉(zhuǎn)基頻成倍數(shù)關(guān)系的頻率點，如85HZ、127.5HZ、170HZ等頻率附近也出現(xiàn)比較高的峰值，并且這些峰值呈現(xiàn)遞減的趨勢，說明接收點位置受葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力脈動周期性地影響較大，這與理論分析的趨勢一致。

圖3 聲壓級分布圖

5 結(jié)論

（1）軸流風機的主要噪聲源位于葉頂附近，同時在吸力面的前緣和靠近葉頂?shù)奈簿壱泊嬖谳^大功率級的聲源分布。

（2）軸流風機接收點處噪音的最高峰值出現(xiàn)在42.5 HZ左右，即風機旋轉(zhuǎn)的基頻處。在其倍頻處也出現(xiàn)較明顯的峰值，且呈遞減趨勢。

（3）軸流風機的仿真分析結(jié)果與理論分析的結(jié)果保持一致，為風機優(yōu)化設(shè)計和噪聲控制提供了理論依據(jù)。同時該方法對于空調(diào)系統(tǒng)中其他部件的聲源識別和頻譜分析也具有一定的參考價值。

[1]智乃剛，肖濱詩.風機噪聲控制技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，1985，99～103.

[2]張瑜.貫流風機內(nèi)流及氣動噪聲分析[D].武漢:華中科技大學圖書館，2007:21～22 .

[3]王興雙.空調(diào)器室外機流場數(shù)值模擬及其軸流風扇噪聲預估[D].武漢:華中科技大學圖書館，2011:21～22.

[4]仲惟燕，高峰.空調(diào)室外機軸流風機全流場數(shù)值模擬[J].流體機械，2012，40（4），78～80.

Numerical Study on Aerodynamic Noise of Air-Conditioner Outdoor Fan

Ma Lihua
(GD Midea Heating&Ventilating Equipment Co.,Ltd,Foshan Guangdong,528311)

By applying an air conditioner outdoor fan as an example,the ANSYS Fluent software is used to estimate the distribution of aerodynamic noise sources on the surface of the fan and to predict the noise characteristics of the far-field receiving point. It is useful to use the numerical method to predict the aerodynamic noise of the air conditioning fan to provide reference for the noise reduction design of the air condition fan.It also has some reference for the sound source identification and spectrum characteristic analysis of other components in the air conditioning system.

Axial fan; Aerodynamic noise; Numerical analysis