葉片穿孔對離心風機聲學性能的影響研究*

陳 波,李家春*,何俊杰,徐 嬌,王永濤

(1.貴州大學 機械工程學院,貴州 貴陽 550025;2.貴州省水利科學研究院,貴州 貴陽 550002)

0 引 言

離心風機是依靠電機驅動,提高氣體壓力后輸出氣體的機械。因為它改變了空氣流動的方向,因此被廣泛用于廚房家電排放油煙,建筑物通風、除塵,工廠、鍋爐的通風、引風等場合。

離心風機主要包含蝸殼、葉輪等部件。其結構相對簡單,但是在運轉過程中會產生較高的氣動噪聲。

隨著離心風機的應用場合越來越廣泛,人們對離心風機的聲學性能也提出了更高的要求。葉輪是風機中唯一的旋轉部件,它影響風機的氣動和聲學性能,因此,越來越多的學者對離心風機葉輪噪聲來源和降噪技術展開了研究。

周建華[1]用絲線法對前向多翼離心風機內部流場進行了可視化研究,結果表明,在葉片出口吸力面側氣流渦旋脫落明顯,是引起離心風機噪聲的主要原因。WU S F等人[2-4]的研究結果表明,離心風機的噪聲主要來源于葉輪旋轉產生的氣流與蝸殼壁面摩擦引起的旋轉噪聲。王加浩等人[5,6]受鯉科魚C型啟動啟發,設計了多翼離心風機仿生等厚葉片,可視化研究結果表明,仿生葉片尾緣脫落渦旋造成的氣流不均勻性程度減弱,風機氣動性能增加,噪聲減小。赫英歧等人[7,8]探究了不同葉輪扭曲度對多翼離心風機內流及聲學特性的影響,結果表明,扭曲葉輪會略微降低風機的氣動性能;但葉輪葉尖渦流減弱,降低了渦流噪聲。焦碩博等人[9]對比了傾斜葉片和直葉片葉輪對風機性能的影響,發現傾斜葉片會輕微降低風機流量;但是,傾斜葉片能減少葉道中的流動分離,從而減小風機噪聲。LI Chun-xi等人[8]對比了原始葉輪和葉輪出口直徑,分別增加5%和10%的兩個較大葉輪的風機,通過數值模擬表明,葉輪較大的風機存在較多的蝸殼損失。黃進安等人[9]將葉片完全貫穿設計,經過設置合理葉片穿孔參數,降低了葉片表面的壓力脈動。鄧敬亮等人[10]對傳統風機葉片中的弧線進行了優化,使得氣流在蝸殼內的流動分離降低,減少了因氣流紊亂造成的噪聲。王夢豪等人[11]采用數值仿真方法,研究了仿鸮翼葉片對離心風機噪聲的影響。

上述學者研究結果表明:風機葉片旋轉產生的渦旋是噪聲主要來源,采用仿生設計和改變葉片形狀的方法能有效降低噪聲;但上述學者未對葉片結構進行直接處理,未能找到高效降低葉片旋轉噪聲的方法。

穿孔板是一種共振吸聲結構。當聲波傳播到小孔時,一部分在小孔表面摩擦損耗,另一部分進入小孔的聲波頻率與薄板一致時會引起薄板共振,從而被吸收。

伍宗效等人[12]對風洞導流片穿孔并填充材料,使得風洞內氣流渦旋削弱,減少了氣動噪聲。WANG Chen等人[13]在蝸殼上鋪設消聲材料,抑制了低頻范圍內的輻射噪聲。付強[14]研究了穿孔板與多孔材料組合對噪學特性的影響,結果表明,穿孔板和多孔材料組合能夠降低低頻和中高頻噪聲。

基于以上原因,筆者采用FLUENT數值仿真方法探究離心風機葉片迎風面穿孔對噪聲的影響。首先,對比葉片不同穿孔形狀、穿孔直徑和穿孔率的降噪效果,獲取最佳穿孔參數;然后,在葉片內部填充吸聲材料,以期進一步降低噪聲;最后,對葉片不同穿孔結構的仿真結果進行驗證實驗。

筆者希望所得結論可為離心風機降噪技術提供參考。

1 氣動聲學設置

1.1 模型設計

筆者以雙圓弧型葉片離心風機為研究對象。

離心風機尺寸參數如表1所示。

表1 離心風機具體參數

筆者使用三維建模軟件SOLIDWORKS建立多翼離心風機模型,如圖1所示。

圖1 離心風機三維模型

圖1中,葉輪葉片為雙圓弧形,內部空心。

為減少模型無關結構對計算資源的浪費,筆者對結構進行了部分簡化,同時延長了模型進出風區域,避免氣流回流對計算結果造成影響。

為探究穿孔和填充多孔介質材料對離心風機聲學性能的影響,筆者對葉片迎風面板進行小孔貫穿,為避免負壓將內部的多孔材料吸出,背風面板不穿孔。

穿孔板結構如圖2所示。

圖2 穿孔板結構

筆者進行圓形、矩形、三角形形狀切割。

為控制變量,筆者設置孔邊距為x1、y1,孔間距為x2、y2,不同穿孔時的孔邊距x1、y1和孔間距x2、y2保持一致。筆者在切割時,設置圓孔直徑為1.5 mm,穿孔面積為S,調整矩形和三角形的邊長l,保證各切割形狀的面積S一致。

葉片穿孔結構模型如圖3所示。

圖3 葉片穿孔結構

1.2 網格劃分

對三維模型抽取內部流體計算域如圖4所示。

圖4 流體計算域

筆者分別對上訴幾何模型使用FLUENT進行網格劃分。為保證網格劃分質量,將模型分為旋轉域和靜止域兩個部分。其中,旋轉域包含葉輪所在區域,靜止域包括進氣管和蝸殼。

由于葉片上有微小穿孔,為保證網格質量,筆者需要對網格進行局部細化。

葉片內部網格劃分結果如圖5所示。

圖5 葉片間網格質量

由圖5可知:葉片內部網格均勻變化,檢查網格質量(element quality)為0.76,正交比(aspect ratio)為2.84,傾斜度(skewness)為0.21,說明網格質量良好。

筆者對靜止域和旋轉域網格進行單獨劃分,設置旋轉域網格大小為2 mm,并對網格進行鄰近性和曲率捕獲。靜止域網格在數值模擬中不需要太精細。

筆者對網格進行無關性檢查,在保持其他條件不變的情況下,成比例地改變網格數量,并觀察不同網格數量下的仿真結果。通常認為仿真結果的誤差在5%～10%之間,網格對結果的影響在可接受的范圍內。

為節約計算資源,筆者取中等網格數量,因此設置靜止域網格大小為4 mm。原始模型網格數量為5 328 620,矩形穿孔葉片、圓形穿孔葉片、三角穿孔葉片網格數量分別為11 935 842、12 320 432、11 905 996。

網格劃分結果如圖6所示。

圖6 網格劃分結果

1.3 聲學控制方法

FW-H方程本質上是非齊次波動方程,可以由連續性方程、運動方程和物態方程進行推導。

1)連續性方程

方程表達式為:

(1)

式中:ρ(r,t)為氣流密度;t為時間;ρ0為空氣靜態密度;v(r,t)為氣流質點速度;ρ0q(r,t)為流過葉輪葉片的氣流質量。

2)運動方程

方程表達式為:

(2)

式中:grad為梯度算子。

3)物態方程

方程表達式為:

(3)

式中:c為縱波傳播速度。

由式(1)～式(3)導出聲波的波動方程如下:

(4)

1.4 求解設置

此處筆者采用基于壓力法的求解器,并使用瞬態控制。由于離心風機為旋轉流動模型,因此湍流計算模型選用k-epsilon中的Realizable模型;設置葉輪所在旋轉域為Mesh Motion,轉速為3 000 r/s。

筆者設置進出口邊界條件為壓力進出口邊界,進出口表壓為一個標準大氣壓;同時將葉片所在的壁面設置為Moving wall(rotational),將靜止域壁面均設置為wall,并采用interface邊界條件連接旋轉域和靜止域的相交面。

筆者在FLUENT計算模型庫中啟用聲學FW-H模型,定義聲源區域為葉輪旋轉域和蝸殼壁面。

根據GB/T 2888—2008《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》,當測量風機進、出口噪聲時,若葉輪直徑小于1 m,取測量直徑為1 m;若葉輪直徑大于1 m,則取測量直徑為葉輪直徑。由于筆者所選風機葉輪直徑為0.15 m,故取測量直徑為1 m。

噪聲檢測點布置示意圖如圖7所示。

圖7 噪聲檢測點布置示意圖

筆者在圖7點A所示區域建立1個檢測點,用于檢測噪聲。

筆者采用SIMPLEC算法作為計算方法,設置迭代計算的物理量殘差為0.000 01,迭代次數為2 000步,最大循環迭代次數為10次,由式(5)計算出時間步長為4.615×10-3s,葉輪旋轉9圈。

當迭代曲線呈周期性波動時,通常認為離心風機流場基本實現穩定流動,說明迭代已經達到收斂狀態。

時間步長表達式如下:

(5)

式中:n為葉片的數量;w為葉輪的轉速;l為最大循環迭代次數。

2 葉片穿孔聲學特性分析

2.1 葉片不同穿孔形狀

離心風機葉片不同穿孔形狀的聲壓頻譜圖如圖8所示。

圖8 葉片不同穿孔形狀

由圖8可知:系統噪聲整體趨勢表現為隨著頻率的升高而不斷降低,低頻段(0 Hz～2 000 Hz)噪聲降低速度較快,在中頻段(2 000 Hz～3 000 Hz)和高頻段(3 000 Hz～5 000 Hz)噪聲降低速度逐漸緩慢,并伴隨有局部噪聲增加現象。

對比圖8中不同穿孔形狀葉片的噪聲隨頻率的變化可以看出:在低頻段時,不同穿孔形狀對噪聲的影響很小,與未穿孔時基本重合,隨著頻率的上升,則呈現出不同變化。其中,穿孔葉片在整個頻率范圍內,除局部頻率段外,其噪聲值均低于原始葉片的噪聲值,說明葉片穿孔對降低離心風機的噪聲有著積極的作用,能有效破碎葉片間的渦旋,進而降低噪聲。而穿孔葉片的降噪效果隨著穿孔形狀的不同而表現不同。

降噪效果按從好到差依次為圓形穿孔葉片、矩形穿孔葉片、三角穿孔葉片、原始葉片。噪聲平均值為117.81 dB、119.52 dB、119.77 dB、122.63 dB。綜上,采用圓形穿孔葉片可有效降低噪聲,平均降低噪聲4.82 dB,降噪效果提升4%。

葉片不同穿孔形狀壓力云圖如圖9所示。

圖9 葉片不同穿孔形狀壓力云圖

由圖9可知:不同穿孔形狀的葉輪壓力分布總體類似,均在葉輪中心產生負壓,其余位置隨著葉輪轉動,壓力逐漸增大。但原始葉片在葉輪上端和葉輪下端均出現壓力集中,且葉輪中心壓力集中區域較大。

而矩形穿孔葉片雖然減小了葉輪中心的壓力集中區域,消除了葉輪下端的壓力集中,但使葉輪上端出現了更為顯著的壓力集中,導致負壓性能提升僅為1.2%;圓形穿孔葉片的葉輪中心壓力分布均勻,整個葉輪區域無明顯應力集中區域,減小了壓力損失,負壓性能提升了40.5%;三角穿孔葉片在葉輪中心仍有明顯應力集中,甚至在蝸舌處產生了應力集中,導致負壓性能沒有提升。

葉片不同穿孔形狀壓力和速度變化如表2所示。

表2 葉片不同穿孔形狀壓力和速度變化表

葉片不同穿孔形狀流動跡線如圖10所示。

圖10 葉片不同穿孔形狀流動跡線

由表2和圖10可知:原始葉片在葉輪下方產生了大尺度尾緣脫落渦,葉片壓力面與吸力面之間形成了較多葉間回流渦,導致負壓性能變差、氣流速度較低;

矩形穿孔葉片在葉片間仍存在多個回流渦,雖然下方的渦尺度小于原始葉片,但漩渦數量增加,導致負壓性能僅提升了1.2%,而氣流速度較原始葉片下降了2%;

圓形穿孔葉片下方雖然仍存在脫落渦,但是葉片上的圓孔結構使得葉片間回流渦數量顯著減少,因此,葉輪中心的壓力分布均勻,且負壓性能提升了40.5%,氣流速度較原始葉片提升了11%;三角穿孔葉片的三角孔使得脫落渦尺度減小,速度提升了4.8%,但其葉片間的回流渦仍然存在,因此負壓性能沒有提升。

2.2 葉片不同穿孔直徑

由前文的仿真結果可知,圓形穿孔葉片的降噪效果最好?，F筆者探究穿孔直徑為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm時圓形葉片的降噪效果(為避免減弱葉片的結構強度,穿孔直徑不宜過大)。

葉片不同穿孔直徑的聲壓頻譜圖如圖11所示。

圖11 葉片不同穿孔直徑

由圖11可知:不同穿孔直徑時,噪聲隨頻率的變化不同;但整體仍呈現為隨頻率增加,噪聲值降低的趨勢。

葉片不同穿孔直徑噪聲值統計如表3所示。

表3 葉片不同穿孔直徑噪聲值

由表3可知:當穿孔直徑為1.5 mm時,風機的噪聲峰值、噪聲最小值最低,且噪聲平均值也低于其余二者。同時,穿孔直徑為1.5 mm時,葉片的噪聲偏差系數值最大,說明在不同頻率下,其對風機噪聲影響最明顯。

綜上可知,穿孔直徑為1.5 mm的葉片降噪效果最佳。

2.3 葉片不同孔隙率

由前文的仿真結果可知:穿孔直徑為1.5 mm的葉片降噪效果最好?，F筆者探究葉片上不同面積孔隙率的降噪效果,采用4%、5%、6%的孔隙率進行對比。

葉片不同孔隙率的聲壓頻譜圖如圖12所示。

圖12 葉片不同孔隙率

由圖12可知:不同孔隙率時,噪聲值隨頻率的變化不同;但整體也呈現出隨頻率增加,噪聲值降低的趨勢。

葉片不同孔隙率噪聲值統計如表4所示。

表4 葉片不同孔隙率噪聲值

由表4可知:當孔隙率為5%時,風機的噪聲峰值、噪聲最小值最低,且噪聲平均值也低于其余二者。同時,孔隙率為5%的葉片噪聲偏差系數值最大,說明在不同頻率下,其對風機噪聲影響最明顯。綜上,孔隙率為5%的葉片降噪效果最好。

仿真結果表明:當葉片穿孔圖形為圓形、穿孔直徑為1.5 mm、孔隙率為5%時,相較于原始葉片,風機降噪性能提升了5.6%。

3 填充多孔介質材料聲學特性分析

3.1 多孔介質動量方程

在流體計算中,對于多孔介質區域的模擬,通常是在標準流動方程中加入動量源項Si,將多孔區域簡化為增加了阻力源的流體區域。

其表達形式下:

(6)

式中:D,C為指定的矩陣;μ為動力黏度;ρ為流入介質的密度;v為流動速度;vj為第j(x,y,z)方向的速度。

對于均勻多孔介質,式(6)可簡化為:

(7)

3.2 求解設置

為更好地降低噪聲,筆者在葉片內部填充多孔介質材料,多孔介質材料選用具有良好聲學和力學性能的玻璃纖維棉[15,16]。

筆者在FLUENT中啟用多孔介質Porous Zone命令,模擬填充多孔介質材料后的效果,設置葉片內部為多孔介質區域,氣流在區域內的通過方式為Laminar Zone,設置黏性阻力系數為3.25×107,慣性阻力系數為5 414。

添加多孔介質材料后風機的聲壓頻譜圖如圖13所示。

圖13 穿孔并填充多孔介質材料

由圖13可知:穿孔并填充多孔材料后,風機噪聲在各個頻段均有降低,優于原始葉片。

根據數據統計,原始葉片的噪聲平均值為122.56 dB,穿孔并填充材料葉片的噪聲平均值為111.46 dB,平均降低噪聲11.1 dB,降噪效果提升了9.1%。

這是因為玻璃纖維棉是纖維結構,內部有許多相互貫穿的孔洞和微小間隙,并與表面連通,在聲波作用下,孔洞和縫隙內的空氣及多孔材料中的細小纖維發生振動、產生熱量,從而消耗聲能,因此,添加玻璃纖維棉后的降噪效果在整個頻帶范圍內都有明顯提高。

3.3 氣動性能耦合分析

為驗證葉片內部填充多孔材料后對風機氣動性能的影響,筆者使用FLUENT進行仿真計算。設置穿孔圖案為圓形,穿孔直徑為1.5 mm,穿孔率為5%。

穿孔并填充材料葉片仿真云圖如圖14所示。

圖14 穿孔并填充材料葉片仿真云圖

由圖14可知:穿孔并填充材料后,風機的最大壓力增加量為910.98 Pa,最大壓力減小量為-548.32 Pa,最大速度為40.596 m/s。

對比圖9僅圓形穿孔時,負壓性能降低了21.5%,這是因為填充多孔材料后,多孔材料對葉片內氣流的流動有著阻礙作用;

對比原始葉片,由圖14(b)可以看出:填充材料后葉輪下方的脫落渦仍存在,但葉片間的回流渦減少,減少了氣流損耗,因此負壓性能提升了11%,速度提升了5%。

綜上可知,葉片穿孔并填充多孔材料,不僅能提升風機的氣動性能,而且對風機噪聲有著良好的吸收效果。

4 實驗與結果分析

4.1 實驗方法

為驗證仿真結果的可靠性,筆者開展原始葉片、葉片穿孔、葉片穿孔并填充材料的正交實驗研究。

筆者設置不同穿孔類型和填充材料作為變量,噪聲值作為實驗目標,其余條件保持不變。

葉片不同穿孔形狀實物如圖15所示。

圖15 葉片不同穿孔形狀實物圖

同時,筆者需要確定測試點和測試環境。根據GB/T 2888—2008《風機和羅茨鼓風機噪聲測量方法》,測試點經過葉輪幾何中心,距離殼體L=1 m,測試環境需要保證相對安靜,并且盡可能降低環境噪聲。

測試點布置示意圖如圖16所示。

圖16 單吸入離心風機測試點位置

實驗方案和步驟如下:

1)安裝測試設備。在測試點處安裝聲級計等測試設備,并確保測試設備的位置穩定。同時,盡量減小被測風機振動產生的噪聲以及地面和其他物體的反射聲,將電動機噪聲視為背景聲,以保證測量的準確性;

2)進行預測試。在正式測試之前,進行預測試以檢查測試設備是否正常工作,并確定測試環境是否符合要求,聲級計的傳聲器應指向聲源,測量者應側向聲源;

3)進行正式測試。風機運行時,使用聲級計等測試設備測量噪聲水平。應進行多次測試,同時根據GB/T 2888—2008對聲級計的讀數作背景噪聲修正后的值,以獲得更準確的測試結果。

筆者將大連某特種風機有限公司布置為實驗地點,在對風機進行噪聲實驗的同時,根據GB/T 1236—2017《工業通風機用標準化風道性能試驗》,對風機的氣動性能進行測試。測試平臺采用沈陽鼓風機研究所研制的風機自動測試系統,該系統對氣動和噪聲特性的測試精度能達到小數點后3位。

測試平臺如圖17所示。

圖17 測試平臺

4.2 葉片不同穿孔形狀實驗

接下來,筆者開展離心風機葉片原始、矩形、圓形和三角穿孔形狀的風量和降噪效果正交實驗[17-20]。

葉片不同穿孔形狀實驗結果如表5所示。

表5 葉片不同穿孔形狀實驗

由表5可知:實際各葉片的噪聲初始值高于仿真葉片初始值,這是因為實際環境總存在一定噪聲,無法完全消除。

從表5中可以看出:圓形穿孔葉片相較其余穿孔葉片,降噪2.62 dB,效果最明顯,風量提升了12.16%。這是因為圓形穿孔使得葉間回流渦數量減少,因此氣流損耗減少。

4.3 葉片不同穿孔直徑實驗

筆者開展離心風機圓形穿孔葉片穿孔直徑的風量和降噪效果正交實驗。

葉片穿孔直徑實驗結果如表6所示。

表6 葉片穿孔直徑實驗

由表6可知:當葉片穿孔直徑為1.5 mm時,降噪效果提升了0.5%,風量提升了2%,說明改變穿孔直徑并不能顯著提升降噪效果,但能提升風機的氣動性能。

4.4 葉片不同孔隙率實驗

在圓形穿孔葉片和穿孔直徑為1.5 mm的基礎上,筆者開展葉片穿孔率為4%、5%、6%的正交實驗。

葉片穿孔率實驗結果如表7所示。

表7 葉片穿孔率實驗

由表7可知:當葉片穿孔率為5%時,降噪效果提升了0.47%,風量提升了2.5%,說明穿孔率對風機降噪性能影響不大,但可以提升其氣動性能。

4.5 葉片穿孔并填充材料實驗

在葉片穿孔形狀為圓形、穿孔直徑為1.5 mm和孔隙率為5%、內部填充玻璃纖維多孔介質材料的基礎上,筆者開展原始葉片、葉片穿孔、葉片穿孔并填充材料的風量和降噪效果正交實驗。

葉片穿孔并填充材料實驗結果如表8所示。

表8 葉片穿孔并填充材料實驗

由表8可知:葉片填充材料相較于葉片僅穿孔,風機的風量降低了6%。這是因為葉片填充材料后,空氣進入葉片內部后互相摩擦損耗,引起玻璃纖維的振動和摩擦,導致風量降低,但降噪效果提升了3%;

葉片填充材料相較于原始葉片,可降低噪聲6.72 dB,降噪效果提升了5.3%,同時風量提升了7.5%。

以上結果說明:對葉片穿孔并填充多孔介質材料,在降低噪聲的同時能有效提升風機風量。

5 結束語

筆者使用FLUENT數值模擬方法,對離心風機葉片不同穿孔形狀、穿孔直徑、穿孔率的聲學性能進行了模擬,并研究了葉片內部填充多孔介質材料后的聲學性能編號,最后開展了相關驗證實驗,驗證了仿真結果的可靠性。

研究結果如下:

1)對葉片穿孔形狀進行對比可知,不同穿孔形狀均能提升風機的降噪性能,其中圓形穿孔形狀降噪性能最佳,且能顯著提升風機負壓性能;經過對穿孔直徑為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的圓形穿孔進行對比,穿孔直徑為1.5 mm時降噪性能最佳;對葉片4%、5%、6%的穿孔孔隙率進行對比,發現5%的孔隙率降噪效果最佳;

2)由仿真模擬結果可知,在穿孔直徑為1.5 mm、穿孔率為5%的圓形穿孔葉片內部填充多孔介質材料,能有效地降低風機的中高頻噪聲,相較原始葉片平均降低噪聲11.1 dB,降噪效果提升了9.1%,同時葉片穿孔可提升風機負壓性能11%;

3)根據實驗結果可知,葉片穿孔并填充材料相較于原始葉片,可降低噪聲6.72 dB,降噪效果提升了5.3%,同時風量提升了7.5%。

在接下來的工作中,筆者將為葉片填充不同流阻率的多孔介質材料,探討其對氣動聲學特性的影響。