車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的不同部件對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響

摘要：為了明確車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下不同部件對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響，對(duì)車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，并進(jìn)行了車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的空載聲功率實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性；采用有無(wú)前后風(fēng)扇、爪極，采用圓柱包絡(luò)體代替爪極方案確定各階次噪聲的來(lái)源，明確了前后風(fēng)扇、爪極對(duì)不同階次噪聲的貢獻(xiàn)水平。結(jié)果表明：在高轉(zhuǎn)速下偶極子是主要噪聲源類(lèi)型；前風(fēng)扇主要影響8，10，12和16階次氣動(dòng)噪聲，去除前風(fēng)扇12，16階次噪聲分別降低了6.54 dB（A）和9.04 dB（A）；后風(fēng)扇主要影響6，8和10階次噪聲，去除后風(fēng)扇噪聲分別降低了11.75，2.42，7.38 dB（A）；有無(wú)爪極對(duì)氣動(dòng)噪聲影響較小，但采用圓柱包絡(luò)體代替爪極對(duì)氣流流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，使8階次噪聲有一定變化，這也表明前后風(fēng)扇是氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的重要源頭。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)噪聲；發(fā)電機(jī)；風(fēng)扇；爪極

中圖分類(lèi)號(hào)：U46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1000-582X（2023）03-071-013

Influence of different parts of the claw alternator on

aerodynamic noise

HUANG Taiming1， LI Weiping2， JI Nianzhou2， GUAN Chenglin1， YUE Wanhao2

（1. Department of Mechanical Engineering， Hunan Institute of Science and Technology， Yueyang，

Hunan 414006， P. R. China; 2. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for

Vehicle Body， Changsha 410082， P. R. China）

Abstract："" In order to understand the effects of different parts on the aerodynamic noise of the claw alternator for vehicle at high rotational speeds， the aerodynamic noise characteristics of the claw alternator were studied by numerical simulation. The no-load acoustic power level experiments of the claw alternator for vehicle were carried out to verify the accuracy of the numerical simulation. The noise sources of each order were determined by removing front fan or rear fan， or claw， and replacing claw with cylinder envelope. The contribution levels of front and rear fans and claw to noises at different orders were clarified. The results show that dipole was the main noise source at high rotational speed. The front fan mainly influenced the aerodynamic noise at 8th， 10th， 12th and 16th order. When the front fan was removed， the aerodynamic noise at 12th and 16th order was reduced by 6.54 dB（A） and 9.04 dB（A）， respectively. The rear fan mainly affected the aerodynamic noise at 6th， 8th and 10th order. When the rear fan was removed， the aerodynamic noise at 6th， 8th and 10th order was reduced by 11.75 dB（A）， 2.42 dB（A） and 7.38 dB（A）， respectively. With or without claw had slight influence on the aerodynamic noise， but when the cylinder envelope was used to replace the claw， the flow field was affected， causing a certain change of the noise at the 8th order and also verifying that the front and rear fans were main sources of the aerodynamic noise.

Keywords：" aerodynamic noise; alternator; fan; claw

隨著影響汽車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的主要噪聲源的性能不斷改善，車(chē)內(nèi)噪聲已大大降低，而諸如爪極發(fā)電機(jī)等次要噪聲源的影響逐漸凸顯出來(lái)。在高轉(zhuǎn)速條件下（8 000 r/min以上）爪極發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲成為發(fā)電機(jī)噪聲中主要部分［1，2］。因此，如何降低高轉(zhuǎn)速條件下爪極發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

目前，針對(duì)爪極發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲問(wèn)題有學(xué)者采用不同方法進(jìn)行了研究。Frederick等［3］從實(shí)驗(yàn)和理論角度對(duì)交流發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲源進(jìn)行了描述。Brungart等［4］對(duì)交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部與周?chē)牧鲌?chǎng)進(jìn)行了研究。張凡等［5］對(duì)反射面、端蓋及定子對(duì)車(chē)用交流發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明定子對(duì)各點(diǎn)的影響最小，而反射面影響最大。張亞?wèn)|等［6］采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)某交流發(fā)電機(jī)前、后風(fēng)扇對(duì)各主要階次噪聲的貢獻(xiàn)進(jìn)行了研究。左曙光等［7］采用實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方法對(duì)爪極電機(jī)主要階次噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，從聲源表面壓力分布等角度對(duì)不同部件對(duì)不同階次噪聲產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。上述研究表明：爪極發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲主要是由于前后扇葉表面壓力周期性脈動(dòng)、氣流流動(dòng)等所引起的；氣動(dòng)噪聲的大小與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、定子結(jié)構(gòu)、氣隙大小等密切相關(guān)。但是，主要階次對(duì)總噪聲貢獻(xiàn)量、氣動(dòng)噪聲傳播途徑等問(wèn)題尚沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的研究。同時(shí)，還有學(xué)者［8-11］采用不同方法對(duì)車(chē)用交流發(fā)電機(jī)的扇葉空間分布角度進(jìn)行氣動(dòng)噪聲優(yōu)化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后都實(shí)現(xiàn)了較好的優(yōu)化目標(biāo)。在這些研究中，沒(méi)有揭示發(fā)電機(jī)的不同部件及其之間的關(guān)系對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響。

因此，筆者基于轉(zhuǎn)子表面不同階次下的壓力分布情況及采用去除部件的方法對(duì)12 000 r/min工況下車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)主要階次噪聲來(lái)源進(jìn)行分析，揭示爪極發(fā)電機(jī)相應(yīng)階次噪聲來(lái)源以及貢獻(xiàn)水平，分析噪聲源部件與階次噪聲的對(duì)應(yīng)關(guān)系及噪聲的傳播途徑，為車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲分析及改進(jìn)等問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)。

1 模型介紹

采用某公司生產(chǎn)的某型號(hào)原型機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該樣機(jī)特征參數(shù)如下：8對(duì)爪極，5相，80槽發(fā)電機(jī)；非對(duì)稱(chēng)風(fēng)扇設(shè)計(jì)，前后風(fēng)扇分別由12片和10片扇葉組成。

2 發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲計(jì)算方法

在進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算時(shí)常用的湍流模型有RANS、SAS和LES等，其中LES會(huì)消耗大量時(shí)間，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求也較大；RANS對(duì)小尺度渦流計(jì)算精度稍低，但計(jì)算時(shí)間相對(duì)較短，對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存要求相對(duì)較低；而SAS湍流模型在傳統(tǒng)的RANS湍流模型中添加了對(duì)湍流渦頻率的描述，計(jì)算時(shí)間相對(duì)適中，計(jì)算較為準(zhǔn)確［12，13］。因此，在流場(chǎng)計(jì)算時(shí)選擇SAS湍流模型。

氣動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)方法一般包括直接計(jì)算方法和聲比擬法［14］，直接計(jì)算方法直接求解流體動(dòng)力學(xué)控制方程和聲傳播方程，適用于近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲且噪聲主要是由于局部流動(dòng)壓力產(chǎn)生的情況；而基于Lighthill方程的聲比擬法解耦了噪聲的產(chǎn)生和傳播，先計(jì)算近場(chǎng)聲源信息再通過(guò)一定的方法求解從近場(chǎng)到遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播［15］。因此，針對(duì)發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，選用聲比擬法進(jìn)行計(jì)算。

2.1 Scale Adaptive Simulation模型

SAS模型控制方程如下［16］：

ρkt+xjρUjk=Pk－ρcμkω+xjμ+μtσkkxj，（1）

ρωt+xjρUjω=αωkPk－ρβω+QSAS+xjμ+μtσωωxj+1－F12ρσω21ωkxjωxj，（2）

QSAS=maxρξ2kS2LLvk2－C2ρkσφmax1ω2ωxjωk2kxjkxj，0，（3）

式中：QSAS為添加了包含湍流渦頻率w的輸運(yùn)方程，ξ2=3.51，σφ=2/3，C=2，L是被構(gòu)建的模型的長(zhǎng)度尺度：L=k/（c1/4·ω）。

2.2 FW-H方程

Lighthill通過(guò)研究射流噪聲，并基于Navier-Stokes流體控制方程，采用聲比擬方法，得到了Lighthill方程［17］

2.3 流場(chǎng)計(jì)算模型

為了節(jié)約計(jì)算資源提高計(jì)算效率，同時(shí)考慮到在相同條件下球體計(jì)算域所產(chǎn)生的網(wǎng)格數(shù)量比同尺寸的正方體計(jì)算域網(wǎng)格相對(duì)要少，因此采用球形計(jì)算域，如圖2（a）所示。計(jì)算域尺寸為發(fā)電機(jī)特征尺寸的8倍。在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)爪極發(fā)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)將相關(guān)部件分為兩部分：其中旋轉(zhuǎn)部分包括前風(fēng)扇、后風(fēng)扇和爪極等，按照給定轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)；固定部分包括前端蓋、后端蓋、定子等，在數(shù)值模擬時(shí)保持靜止?fàn)顟B(tài)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采用了滑移網(wǎng)格技術(shù)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)域，如圖2（b）所示。

計(jì)算域中的出口邊界屬于閉邊界條件，已知邊界條件只有旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為交流發(fā)電機(jī)的恒定轉(zhuǎn)速。由于給定的計(jì)算區(qū)域要保證交流發(fā)電機(jī)的湍流流場(chǎng)充分發(fā)展，因此將計(jì)算區(qū)域入口初始化條件設(shè)定為：壓力出口，相對(duì)總壓為0，相對(duì)表壓為0。

為了更好的獲取爪極發(fā)電機(jī)周?chē)牧鲌?chǎng)，對(duì)發(fā)電機(jī)周?chē)煌瑓^(qū)域采用不同網(wǎng)格尺寸控制策略。發(fā)電機(jī)表面網(wǎng)格最大尺寸控制在2 mm內(nèi)，如圖3所示。對(duì)流體影響明顯區(qū)域，最大網(wǎng)格尺寸控制在1 mm內(nèi)；前后風(fēng)扇區(qū)域的網(wǎng)格最大尺寸為0.3 mm，并對(duì)爪極靠近氣隙側(cè)進(jìn)行局部加密。由于轉(zhuǎn)子與定子間徑向間距非常小，只有0.25 mm，為了保證數(shù)值模擬能夠捕捉更多的流場(chǎng)信息，網(wǎng)格最大尺寸控制在0.1 mm內(nèi)，計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約為3 200萬(wàn)。

2.4 聲場(chǎng)計(jì)算模型

采用商用軟件LMS-Virtual.Lab Acoustics進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。假設(shè)聲音在某流體介質(zhì)中的傳播速度是c，要求最高計(jì)算（采樣）頻率為fsmaxQUOTE，則單元長(zhǎng)度L應(yīng)滿足［19］：

L∝c6fsmax。（6）

由于爪極電機(jī)最高頻率fsmax=16 000 Hz，則單元長(zhǎng)度：

L∝c6fsmax=3406×2×16 000≈1.8 mm。（7）

為了提高計(jì)算精度及節(jié)省計(jì)算資源，聲學(xué)計(jì)算的網(wǎng)格進(jìn)行縮放（如圖4（a）所示），將網(wǎng)格尺寸調(diào)整在1.0～1.5 mm范圍內(nèi)。為了與實(shí)驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，按ISO-3745-2003要求建立聲功率場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格（如圖4（b）所示）。

2.5 聲學(xué)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

聲學(xué)計(jì)算時(shí)間隨著計(jì)算單元數(shù)的增加而快速增長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算資源要求也更高，計(jì)算效率也不斷降低［20］。因此，為了確定合適網(wǎng)格數(shù)量，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表面劃分不同密度的單元，對(duì)其計(jì)算時(shí)間及不同主要階次噪聲的計(jì)算誤差對(duì)比，如表1所示。

從表1中可以發(fā)現(xiàn)：主要階次噪聲計(jì)算誤差并不是隨著網(wǎng)格數(shù)增加一直增大的，考慮到計(jì)算效率和計(jì)算精度，聲學(xué)網(wǎng)格數(shù)量控制在64 130左右。

3 模型驗(yàn)證

3.1 流場(chǎng)特性分析

圖5為發(fā)電機(jī)在12 000 r/min轉(zhuǎn)速下，0.03 s時(shí)定子和爪子周?chē)鷫毫傲骶€分布情況。后續(xù)分析中前后扇葉的截面位置都在同一位置，具體位置如圖5（a）所示。從圖5（b）可以看出靠近風(fēng)扇中心處壓力分布主要是負(fù)壓，在風(fēng)扇葉片內(nèi)側(cè)達(dá)到一個(gè)較大的負(fù)值，表明氣流沿軸向被吸進(jìn)發(fā)電機(jī)內(nèi)部，在扇葉外邊緣處有局部正壓極值。同時(shí)，壓力在轉(zhuǎn)子表面呈現(xiàn)不均勻分布。尤其在風(fēng)扇局部位置A處，壓力分布呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，容易造成流經(jīng)此處的氣流發(fā)生漩渦、分離流，這也是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的重要源頭之一。

從圖5（c）和5（d）可以發(fā)現(xiàn)：在后風(fēng)扇截面上壓力分布不均性相對(duì)于前風(fēng)扇截面更明顯；并且從前、后風(fēng)扇截面的流線圖中可以發(fā)現(xiàn)，氣流的漩渦、分離流主要發(fā)生在前、后端蓋的進(jìn)出氣口以及扇葉外沿處，同時(shí)后風(fēng)扇處中有更多的漩渦、分離流，這與壓力分布呈現(xiàn)明顯的不均勻性一致。從圖5（e）可以看發(fā)現(xiàn)：除了靠近爪極與定子氣隙位置處的流場(chǎng)壓力梯度較大外，定子大部分區(qū)域壓力梯度相對(duì)較小，壓力分布均勻性相對(duì)較好，回流也相對(duì)較少。因此，這部分對(duì)噪聲輻射影響相對(duì)較小。

3.2 噪聲頻譜特性分析

對(duì)該車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)的原型樣機(jī)進(jìn)行升速冷態(tài)空載聲功率實(shí)驗(yàn)，其轉(zhuǎn)速的變化范圍為800～18 180 r/min，變速率為20 （r/min）/s。該實(shí)驗(yàn)在半消音室中進(jìn)行，背景噪聲約為25～27 dB（A），在1.25 m的測(cè)量半徑上，各主要1/3倍頻帶環(huán)境修正量不大于2 dB。實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境滿足ISO-3745-2003機(jī)械設(shè)備聲功率測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，自由場(chǎng)中的麥克風(fēng)位置陣列布置了20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖6所示。

圖7為發(fā)電機(jī)在空載工況下各典型轉(zhuǎn)速工況下不同階次聲功率級(jí)的對(duì)比曲線圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提升，各階次聲功率級(jí)依次升高；在前128階中8，16，24，64，72，80和88階次是主要噪聲階次。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到8 000 r/min時(shí)，24階后噪聲能量衰減的幅度非常明顯。

圖8和表2所示為3 000 r/min時(shí)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的聲功率級(jí)，從圖及表中可以發(fā)現(xiàn)：在轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，只有6和12階次有著較好的擬合精度，相對(duì)誤差分別為1.06%，2.25%；8，10，14階次相對(duì)誤差都超過(guò)5%，精度較差。從17階次開(kāi)始，相對(duì)誤差超過(guò)12.5%，并且隨著分析頻率的增加而不斷增加。在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)超過(guò)8階以后誤差較大的主要原因是：在進(jìn)行流場(chǎng)分析時(shí)僅僅提取了旋轉(zhuǎn)偶極子噪聲源，而忽略了單極子和四極子噪聲源，這是造成上述誤差重要來(lái)源。這也表明偶極子噪聲源在轉(zhuǎn)速較低的3 000 r/min工況下并不是主要噪聲源。

圖9和表3所示為8 000r/min時(shí)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的聲功率級(jí)，從圖及表中可以發(fā)現(xiàn)：可以發(fā)現(xiàn)：在16階次以下，主要階次數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)有著較好的一致性，最大誤差出現(xiàn)在10階次，為4.56%，最小誤差是16階次時(shí)，僅為0.16%，這也驗(yàn)證數(shù)值模擬準(zhǔn)確性。同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲源類(lèi)型分析可知在轉(zhuǎn)速較高時(shí)偶極子噪聲源為主要噪聲源類(lèi)型。

3.3 爪極發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲來(lái)源分析

圖10所示為不同階次時(shí)前、后風(fēng)扇表面壓力分布圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)：除了14階次的前、后風(fēng)扇壓力分布較為均勻外，在6，8，10和12這幾個(gè)階次前、后風(fēng)扇的壓力分布均勻性都較差，這也表明在這幾個(gè)階次里前、后風(fēng)扇對(duì)這些階次的氣動(dòng)噪聲有不同程度的影響。在扇葉外沿部分存在明顯的高低壓分布區(qū)域，壓力梯度變化較大，這主要是由于這部分周?chē)袕?qiáng)旋流以及分離流等復(fù)雜的氣流流動(dòng)，因此這部分是誘發(fā)氣動(dòng)噪聲的重要源頭。

由于前后風(fēng)扇葉片夾角都是不均分布，除了與前、后風(fēng)扇相對(duì)應(yīng)的12，10階次及其倍數(shù)階外，還會(huì)產(chǎn)生其它諧階次噪聲，如前風(fēng)扇會(huì)輻射10階次噪聲，后風(fēng)扇也會(huì)輻射12階次噪聲。因此，從數(shù)值模擬結(jié)果中可知前風(fēng)扇主要對(duì)8，10和12階次產(chǎn)生影響，而對(duì)14階次的影響最小；后風(fēng)扇對(duì)6，8和10階次氣動(dòng)噪聲影響較大，對(duì)14階次的影響也是最小的。

4 基于去除部件的階次噪聲分析

由于受實(shí)驗(yàn)條件及可操作性的影響，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析法很難具體的定位到某階次氣動(dòng)噪聲與哪些特定部件相關(guān)或者是具體位置。因此，通過(guò)數(shù)值模擬方法對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為12 000 r/min時(shí)去除轉(zhuǎn)子前后風(fēng)扇、爪極等進(jìn)行研究，定量的分析相關(guān)部件對(duì)氣動(dòng)噪聲階次的影響程度，再進(jìn)一步定性分析影響某一階次氣動(dòng)噪聲的部件及相對(duì)應(yīng)位置，為爪極發(fā)電機(jī)氣動(dòng)噪聲優(yōu)化提供基礎(chǔ)及理論依據(jù)。

4.1 去除部件方案

采用以下4種去除部件方案（如圖11所示）。其中，（d）方案主要是考慮到爪極部件在轉(zhuǎn)子部分所占空間位置較大，采取直接去除爪極的方案時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)中氣流流動(dòng)狀態(tài)和流通路徑發(fā)生較大的變化。因此，為了探究爪極對(duì)相關(guān)結(jié)果的影響程度，采用圓柱包絡(luò)面代替爪極部分的空間位置來(lái)對(duì)比兩者對(duì)流場(chǎng)和聲場(chǎng)結(jié)果的影響。

4.2 流場(chǎng)特性分析

4.2.1 去除前風(fēng)扇流場(chǎng)分析

圖12 所示為前風(fēng)扇截面及轉(zhuǎn)子的流線及壓力云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣流流動(dòng)在前風(fēng)扇截面位置處出現(xiàn)明顯的變化；特別是當(dāng)前風(fēng)扇去除時(shí)，爪極迎風(fēng)面上出現(xiàn)了8個(gè)明顯的正壓區(qū)，并且這8個(gè)正壓區(qū)的壓力梯度變化也較為明顯。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是，去除前后風(fēng)扇后氣流流通路徑發(fā)生變化，進(jìn)而使得氣流直接與爪極碰撞。同時(shí)，由于每個(gè)爪極的8個(gè)磁極是等角度分布，因此會(huì)產(chǎn)生新的8階次及其倍數(shù)階次氣動(dòng)噪聲。

圖13為去除前風(fēng)扇前、后在后風(fēng)扇截面上壓力云圖及流線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：去除前風(fēng)扇前后，在后風(fēng)扇截面位置處的整體壓力及流線分布情況基本相似，雖然壓力分布有一定變化，但變化量相對(duì)較小，其主要原因是定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙較小，對(duì)氣流沿軸向流通路徑形成了較大的阻礙作用。因此，去除前風(fēng)扇對(duì)后風(fēng)扇位置處的局部氣流流動(dòng)狀態(tài)影響不大，只有少部分氣流會(huì)通過(guò)爪極與定子間的氣隙沿軸向流到后風(fēng)扇處，去除前風(fēng)扇后，氣流流動(dòng)阻礙更小，流動(dòng)相對(duì)去除之前也更為順暢，但由于流通的氣流非常少這也導(dǎo)致壓力分布與氣流流線變化不大。

4.2.2 去除后風(fēng)扇流場(chǎng)分析

圖14所示為去除后風(fēng)扇前、后在前風(fēng)扇截面上壓力云圖及流線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：去除后風(fēng)扇前、后，前風(fēng)扇截面位置壓力分布和氣流流動(dòng)分布特征都基本一致。壓力分布變化相對(duì)較小，和去除前風(fēng)扇時(shí)后風(fēng)扇截面位置的壓力變化基本一致，主要原因是爪極與定子間較小的氣隙阻礙了氣流軸向流通，使得前后風(fēng)扇區(qū)域氣流流動(dòng)特征基本保持不變。

圖15所示為后風(fēng)扇截面及轉(zhuǎn)子的流線及壓力云圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：去除后風(fēng)扇前、后，后風(fēng)扇截面位置處氣流流通路徑發(fā)生較大變化，和去除前風(fēng)扇時(shí)前風(fēng)扇截面位置處的壓力及流線分布相似。由于在軸向沒(méi)有后風(fēng)扇對(duì)部分氣流的阻礙，導(dǎo)致氣流直接接觸爪極迎風(fēng)面根部，進(jìn)而使得爪極背部形成了局部負(fù)壓區(qū)域，進(jìn)一步使得在爪極和磁極間形成局部的正壓區(qū)域。而這種正、負(fù)壓交替區(qū)域會(huì)使得氣流形成漩渦、分離流等現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)向外輻射階次特性明顯的氣動(dòng)噪聲。

4.2.3 去除爪極及爪極替換流場(chǎng)分析

圖16為去除爪極和爪極替換時(shí)前風(fēng)扇截面處壓力云圖及流線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：前風(fēng)扇截面處正壓變化相對(duì)較小，而負(fù)壓也有一定變化，但整體上變化不大。從流線圖中漩渦的分布可發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)狀態(tài)基本保持一致。因此，有無(wú)爪極對(duì)前風(fēng)扇所在區(qū)域的氣流流動(dòng)影響不大。

圖17為去除爪極和爪極替換時(shí)后風(fēng)扇截面處壓力云圖及流線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：有無(wú)爪極工況下，都對(duì)后風(fēng)扇截面位置處的壓力分布有著較明顯的影響，用圓柱包絡(luò)體代替爪極比完全去除爪極時(shí)，正壓變化更為明顯。從壓力分布圖中可以看出，前者風(fēng)扇附近的壓力梯度相對(duì)更大；同時(shí)從流線圖中可以發(fā)現(xiàn)前者的漩渦、分離流現(xiàn)象更明顯，這也可能產(chǎn)生更大的氣動(dòng)噪聲。

4.3 聲場(chǎng)分析

圖18為發(fā)電機(jī)在去除前后風(fēng)扇、爪極等部件

時(shí)，4～21階次下的聲功率級(jí)分布曲線圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)：在6和8階次下，與原始模型相比，去除后風(fēng)扇后，聲功率級(jí)都處于相對(duì)最小的狀態(tài)。其中在6階次時(shí)變化最為明顯，下降了約11.75 dB（A）；在8階次時(shí)下降了約2.42 dB（A）。在10階次時(shí)，完全去除爪極和去除后風(fēng)扇的影響基本一致，兩種工況下聲功率分別下降了7.53 dB（A）和7.38 dB（A）。在14階次時(shí)，采用圓柱包絡(luò)體替換爪極和去除后風(fēng)扇的影響效果也是基本一致的，兩種工況下聲功率下都降了約5.17 dB（A）。在12和16階次時(shí)，去除前風(fēng)扇對(duì)聲功率的影響較為明顯，在兩個(gè)階次下聲功率級(jí)分別降低了6.54 dB（A）和9.04 dB（A）。

在完全去除爪極工況下，只剩前后風(fēng)扇時(shí)在8階次下聲功率級(jí)僅減小了約0.27 dB（A），聲功率級(jí)基本保持不變。這表明當(dāng)爪極和前后風(fēng)扇裝配在一起時(shí)，爪極對(duì)軸向氣流流通路徑有著一定影響，但其對(duì)向外輻射的8階次噪聲很小，基本可以忽略。同時(shí)，這也表明8階次噪聲主要的噪聲源為發(fā)電機(jī)的前后風(fēng)扇。

在去除前風(fēng)扇工況時(shí)，8階次噪聲比完整模型高，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是其周?chē)鲌?chǎng)變化所導(dǎo)致的，爪極迎風(fēng)面根部沒(méi)有了前風(fēng)扇對(duì)軸向氣流的阻礙作用，氣流就會(huì)直接撞擊在爪極的迎風(fēng)面上，形成壓力梯度較大的局部區(qū)域，從而產(chǎn)生了8階次噪聲。但是，去除后風(fēng)扇后聲功率級(jí)達(dá)到了最低值，這也表明后風(fēng)扇去除而產(chǎn)生的8階次噪聲比有后風(fēng)扇時(shí)貢獻(xiàn)的8階次噪聲要小。

在采用圓柱包絡(luò)體的方式替換爪極工況時(shí)，8階次噪聲相比原始模型增大了1.43 dB（A）。導(dǎo)致噪聲增大的主要原因是采用包絡(luò)體替換爪極后，爪極和定子之間的平均氣隙比原始模型有較大程度的縮小，平均氣隙的縮小會(huì)進(jìn)一步加劇對(duì)軸向流通氣流的阻礙作用，進(jìn)而導(dǎo)致壓力梯度增大，使得輻射噪聲能力更強(qiáng)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)典型工況下車(chē)用爪極發(fā)電機(jī)流場(chǎng)特性和噪聲頻譜特性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1）前后風(fēng)扇葉片的前端和后端外沿處有著較大的壓力梯度，是氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的重要源頭。

2）偶極子噪聲源在3 000 r/min工況下并不是主要噪聲源；而在8 000，12 000 r/min等高轉(zhuǎn)速工況時(shí)，偶極子噪聲源是主要的噪聲源類(lèi)型。

3）前風(fēng)扇主要影響8，10，12和16階次氣動(dòng)噪聲，對(duì)14階次的影響最小；后風(fēng)扇對(duì)6，8和10階次噪聲影響較大，對(duì)14階次的影響最小。

4）去除前、除后風(fēng)扇兩種工況，會(huì)改變氣流流通路徑，產(chǎn)生新的8階次噪聲；去除后風(fēng)扇后對(duì)6， 8和10階次噪聲有著更大的影響，分別下降了11.75，2.42，7.38 dB（A）；在12和16階次時(shí)，去除前風(fēng)扇有著最好的降噪效果，分別降低了6.54，9.04 dB（A）。

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（編輯 鄭 潔）

收稿日期：2021-07-19 "網(wǎng)絡(luò)出版日期：2021-09-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51976055）；湖南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2019JJ40103）；湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（（2021）197）。

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作者簡(jiǎn)介：黃泰明（1982—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事空氣動(dòng)力學(xué)及氣動(dòng)噪聲等研究，（E-mail）htm426@163.com。