沈彥佑, 賈民平, 朱　林

(東南大學 機械工程學院，南京　211189)

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基于拉丁超立方抽樣的離心式吸葉機噪聲分析與降噪優(yōu)化研究

沈彥佑, 賈民平, 朱林

(東南大學 機械工程學院，南京211189)

以吸葉機離心風機系統(tǒng)為研究對象，針對吸葉機氣動噪聲與出口流量的雙目標優(yōu)化問題，運用有限元與試驗相結合的方法對其進行分析與優(yōu)化以達到降低整機噪聲的效果。首先運用CFD技術對原吸葉機模型進行流場和聲場的仿真分析，并在此基礎上提出了長短葉片葉輪優(yōu)化方案，在拉丁超立方抽樣模型的指導下求解了短葉片的多項具體參數(shù)，通過融合分析多項參數(shù)獲得了長短葉片的最優(yōu)組合方案，最后再次通過仿真與試驗相結合的方法對優(yōu)化方案的實際效果進行了驗證。結果表明，短葉片的加入不僅可以保持原有的風機性能，還能夠達到降噪1.2 dB左右的效果。該方案的提出不僅有效降低了風機噪聲，還為產(chǎn)品的降噪優(yōu)化提供了合理的技術路線，具有廣泛的應用價值。

噪聲分析；長短葉片；組合尋優(yōu)

吹吸一體式吸葉機是一種典型的園林機械，同時具備吹聚樹葉和吸入絞碎樹葉兩種功能，在大規(guī)模園林清掃、道路清潔等領域已得到廣泛應用。其高速旋轉的葉輪是風機系統(tǒng)的主要的噪聲源[1]。隨著社會的進步，機械設備的噪聲問題越來越得到社會大眾的關注。因此，對葉輪進行噪聲仿真分析，并根據(jù)流體力學與勢流分析對其結構進行優(yōu)化以達到降噪的效果是必要的[2]。

隨著計算流體力學的迅速發(fā)展，CFD法因其分析快速高效的特點而被廣泛應用于流體運動等研究領域。Lin[3]結合數(shù)值模擬與實驗的方法，對前向風機進行了葉片翼型的優(yōu)化設計。徐長棱等[4]對離心風機整機三維內流場進行數(shù)值模擬，預測了風機工作效率。Zhang[5]研究了不同尺寸的長直葉片對風機系統(tǒng)噪聲的影響，驗證了尺寸對噪聲總聲壓級有著線性關系。

但由于受計算機內存及理論發(fā)展水平的限制，仿真對真實流動情況的解釋還不夠精準，且多數(shù)仿真缺乏試驗對比驗證。因此，筆者認為需要通過試驗和理論相結合的方法對葉輪流場和聲場進行有效分析，從而達到為產(chǎn)品優(yōu)化設計提出新技術路徑的效果。

本文首先對吸葉機離心風機的非定常流場和噪聲特性進行了有限元仿真分析，并通過流場和噪聲試驗對仿真結果進行了試驗驗證。然后針對分析研究發(fā)現(xiàn)的葉片射流尾跡現(xiàn)象，采用在葉輪前盤加入短葉片的設計方案，在拉丁超立方抽樣模型的基礎上確定相對長度、周向位置、旋轉角度等短葉片的具體參數(shù)。最后，通過融合分析多項參數(shù)得到了最優(yōu)短葉片組合方案，并對利用3D打印技術試制的優(yōu)化后實物進行噪聲試驗。

1　吸葉機噪聲分析與試驗驗證

吸葉機的主要噪聲源為離心風機的空氣動力噪聲，因此對風機系統(tǒng)進行噪聲分析是必要的。

1.1風機系統(tǒng)有限元仿真分析

在Pro-E中對現(xiàn)有模型進行逆向重構，然后將三維實體模型導入HyperMesh中，對其進行流道清理和非結構網(wǎng)格劃分，并對蝸殼及葉輪等主要流動區(qū)域進行表面網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格劃分完畢后即可得到如圖1所示的網(wǎng)格模型，共形成12.5萬個結點和220萬個單元。

圖1　吸葉機網(wǎng)格圖Fig.1 Grid of leaf vacuum

流場計算的控制方程采用有限體積法，湍流模型采用RNGk-ε模型，可表示為

(1)

式中：ρ為流體密度，單位kg/m3；μ為流體黏度，單位Pa·s；U為方向速度矢量，單位m/s；k為湍動能，單位m2/s2；ε為湍流耗散率，單位m2/s3。CεRNG為常數(shù)。

壓力速度耦合采用SIMPLE算法，插值格式采用二階迎風格式，風機轉速為14 500 r/min。經(jīng)穩(wěn)態(tài)計算，出口質量流量為0.076 kg/s。

聲場計算過程中采用LES/FW-H的匹配方法，將風機旋轉一周分為512步，每步的時間長度為Δt=8×10-5s，采用速度進口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。通過FW-H噪聲模型[6]來模擬其噪聲的產(chǎn)生和傳播，由無黏流體廣義質量方程

(2)

式中:δ(f)為Diracδ函數(shù)，仿照Lighthill方程推導過程，可推導出FW-H方程

(3)

式中：nj為物體表面矢量分量，pijnj是物體作用給流體單位面積上的法向量。聲場接收點按GBT2888-2008《風機與羅茨鼓風機噪聲測試方法》布置，接收點距離管道進口面中心1 m處布置。經(jīng)瞬態(tài)計算，測點噪聲值為95.4 dB。

通過流場結果后處理，可以得到如圖2所示的回轉面截面圖?？拷~片壓力面的一側速度較大，相對速度從壓力面到吸力面逐漸增大，在吸力面上，由于旋轉作用，相對速度不再沿著葉片切線方向流動，壓力面附近的射流區(qū)和吸力面附近的尾流脫落區(qū)形成了射流尾跡結構[7]。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)射流尾跡結構的存在會導致葉輪出口速度不均勻，而周向的不均勻氣流撞擊蝸舌表面，造成蝸舌表面的壓力脈動，從而產(chǎn)生離散噪聲的現(xiàn)象。

圖2　原葉輪軸截面流速分布圖Fig.2 Velocity distribution of axial section for original impeller

1.2試驗驗證

對實物模型進行出口面上流場和聲場的實驗分析。運用傾斜式微壓計可計算得出口質量流量為0.079 kg/s。運用LabView和HS5660A精密脈沖聲級計在半消聲實驗室中進行頻譜計算，儀器與測點布置如圖3所示。

圖3　噪聲試驗布置圖Fig.3 Plan of noise test

將試驗結果與仿真分析結果進行對比即可得到如表1所示的數(shù)據(jù)。試驗與仿真的流量誤差在3.79%左右，低于5%，在允許誤差范圍內；噪聲誤差在3.9%左右，這是由于聲場仿真所采用的Lighthill聲比擬理論值考慮了蝸殼表面偶極子聲源，忽略四極子對噪聲高頻影響較大，從而使得模擬值低于試驗值。

2　葉輪短葉片優(yōu)化

根據(jù)國內外研究，在前盤葉輪的長葉片中加入短葉片可有效減小葉道的擴散角和單個葉片載荷，從而達到減小氣流分離損失并降低尾跡脫落對蝸舌結構氣流沖擊的效果。本文在拉丁超立方抽樣模型的基礎上獲得短葉片參數(shù)包括相對長度、周向位置、旋轉角度的取值范圍，運用數(shù)值擬合確定參數(shù)最優(yōu)值，通過融合分析多項參數(shù)得到了最優(yōu)短葉片組合方案，并對組合最優(yōu)方案進行了仿真與試驗驗證，其技術路線如下圖4所示。

原葉輪共含5片長葉片，葉片長度為60 mm，出口安裝角為43°。如圖5所示，l為長葉片弧長，l′為短葉片弧長，Δ為相對長度系數(shù)；φ1為原葉片出口安裝角，φ′為旋轉后葉片出口安裝角，θ為旋轉角度；T為長葉片間柵距，T′為短葉片與相鄰長葉片吸力面間柵距，τ為周向位置系數(shù)。影響短葉片形式的主要因素包括：短葉片相對長度、短葉片周向位置、短葉片旋轉角度[8]。為驗證各個短葉片因素對風機流量和噪聲的研究，需要采用控制變量法進行仿真實驗。

圖4　優(yōu)化方案設計流程圖Fig.4 Flow chart of optimization design

圖5　短葉片參數(shù)示意圖Fig.5 Schematic diagram of parameters for short blades

2.1拉丁超立方抽樣模型

拉丁超立方抽樣是一種分層抽樣法，結合相關性控制算法后，由區(qū)間抽樣和控制相關性兩步構成。采用隨機生成的標準正態(tài)樣本矩陣ZN×n表示樣本點序列[9]，RN×n為所有標準正態(tài)樣本點的排序信息。則每個拉丁超立方樣本點的累積概率分布函數(shù)Fxj(Xij)

i=1,2,…,N,j=1,2,…,n

(4)

rand(0,1)表示[0,1]內任一均勻分布隨機數(shù)，再通過等概率變換得到獨立標準正態(tài)空間中拉丁超立方樣本點ξij，其中Φ-1(·)為標準正態(tài)分布累積分布的逆函數(shù)。

ξij=Φ-1(Fxj(Xij))

(5)

2.2周向位置τ的確定

短葉片周向位置τ是短葉片相對吸力面的距離T′與葉片柵距T間的比值，保持短葉片相對長度Δ=0.5l，短葉片旋轉角度θ=0°不變。根據(jù)拉丁超立方抽樣模型，τ可分別取T/4,T/3,T/2,2T/3,3T/4。對葉輪模型進行仿真分析可以得到表1所示對應于不同周向位置的流量和噪聲值。

表1　周向位置仿真表

為找到變量的最優(yōu)組合方案，首先繪制出噪聲趨勢圖，再對短葉片三個變量進行數(shù)值擬合尋優(yōu)選取仿真方案中的最小值點及左右兩點，最后通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配[10]。由于短葉片的加入對流量影響微弱，故只對噪聲結果進行擬合分析，分析后可以得到如圖6所示的短葉片周向位置擬合曲線。噪聲值隨短葉片距離吸力面的距離先增后減再增，在周向位置為0.63T時噪聲值達到最小值。

圖6　短葉片周向位置擬合曲線Fig.6 Fitting curve of circumferential position for short blades

2.3相對長度的確定

短葉片相對長度Δ為短葉片弧長l′與長葉片弧長l的比值，保持短葉片周向位置τ=2T/3和短葉片旋轉角度θ=0°不變。根據(jù)拉丁超立方抽樣模型，Δ分別取0.3l, 0.4l, 0.5l, 0.6l, 0.7l。對葉輪模型進行仿真分析可以得到如表2所示對應于不同相對長度的流量和噪聲數(shù)值。

表2　相對長度仿真表

通過趨勢分析和拋物線擬合可以得到如圖7所示的短葉片相對長度擬合曲線。如圖7所示，噪聲值隨相對長度先減后增，在相對長度為0.47l時噪聲值達到最小值。

圖7　短葉片相對長度擬合曲線Fig.7 Fitting curve of relative length for short blades

2.4旋轉角度的確定

短葉片旋轉角度θ為短葉片相對于長葉片逆時針旋轉的角度，保持短葉片周向位置τ=2T/3和短葉片相對長度Δ=0.5l不變。根據(jù)拉丁超立方抽樣模型，θ分別取-10°,5°,0°,5°,10°。對葉輪模型進行仿真分析可以得到如表3所示對應于不同旋轉角度的流量和噪聲數(shù)值。

通過趨勢分析和拋物線擬合可以得到如圖8所示的短葉片旋轉角度擬合曲線。如圖8所示，噪聲值隨旋轉角度先減后增，在旋轉角度為-0.71°時噪聲值達到最小值。

2.5組合尋優(yōu)

通過流場分析結果可知，模擬加入短葉片后，可以得到如圖9所示的回轉面流速圖，葉片尾跡的渦流脫落區(qū)明顯減小，氣流的不均勻性減弱。

表3　旋轉角度仿真表

圖8　短葉片旋轉角度擬合曲線Fig.8 Fitting curve of rotation angle for short blades

圖9　采用長短葉片葉輪軸截面流速圖Fig.9 Velocity distribution of axial section for long-short-blade impeller

將各因素最優(yōu)值點組合重新繪制葉輪模型，即可得到最佳參數(shù)為：周向位置0.63T、相對長度0.47l、旋轉角度-0.71°。為進一步對優(yōu)化后模型的降噪效果進行研究，對優(yōu)化后的模型進行出口質量流量和測點噪聲分析可以得到如表4所示的數(shù)值仿真結果。如表5所示，優(yōu)化模型較原模型流量上升6.58%，噪聲值降低1.53 dB。

表4　仿真優(yōu)化效果對比表

2.6優(yōu)化效果試驗驗證

為進一步對優(yōu)化后的降噪效果進行試驗驗證，采用HORI MR300型3D打印設備對最優(yōu)組合模型進行實物進行打印，并在此基礎上進行噪聲試驗驗證。打印完畢后可以得到如圖10所示的優(yōu)化后葉輪。對其進行噪聲試驗即可得到如表7所示的試驗數(shù)據(jù)。如表5所示，采用長短葉片的優(yōu)化模型相比原模型噪聲值降低1.2 dB。

圖10　3D打印葉輪實物圖Fig.10 Diagram of impeller by 3D printing

對比參數(shù)實驗對象原模型優(yōu)化模型噪聲優(yōu)化測點噪聲/dB95.494.2-1.2

3　結　論

(1) 對風機系統(tǒng)進行了噪聲分析并進行了試驗驗證，發(fā)現(xiàn)壓力面附近的射流區(qū)和吸力面附近的尾流脫落區(qū)形成了射流尾跡結構。

(2) 在拉丁超立方抽樣模型的指導下確定了短葉片的最佳安裝參數(shù)為距離吸力面0.63T、相對長度0.47l、旋轉角度-0.71°。同時，長短葉片對風機出口流量影響在5%之內，且短葉片的加入可有效減弱射流尾跡結構，改善流場情況。

(3) 通過3D打印對優(yōu)化模型進行試制，并在此基礎上進行了優(yōu)化后實物的噪聲試驗驗證，結果表明優(yōu)化后的結構較原始結構降低了噪聲1.2 dB。

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Noise analysis of a centrifugal leaf vacuum based on Latin hypercube sampling

SHEN Yanyou, JIA Minping, ZHU Lin

(School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)

To solve the bi-objective optimization problem for aerodynamic noise and outlet flux of a centrifugal leaf vacuum, taking the centrifugal fan system of the leaf vacuum as the study object, the method combining FE with tests was used to analyze and reduce the noise level of the whole machine. The CFD technology was applied to simulate and analyze the flow field and acoustic field of the leaf vacuum model firstly. Then the improvement plan adding short blades to the long-blade impeller was proposed. The parameters of short blades were determined according to LHS and the optimal combination scheme of long-short blades was obtained with multi-parameter fusion analysis. It was verified with tests. The results demonstrated that the joining of short blades can maintain the original performance of the fan system and reduce noise by 1.2dB; the proposed scheme can not only effectively reduce noise, but also provide a reasonable technologic route for noise reduction and optimization of products.

noise analysis;long-short blades;combination optimization; Latin hypercube sampling(LHS)

2015-05-19修改稿收到日期：2015-07-25

沈彥佑 女，碩士生，1991年生

賈民平 男，博士，教授，博士生導師,1960年生

TL375.2

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.15.015