艾文森 陳雪江/西安交通大學能源與動力工程學院

葉片進口安裝角對多翼離心風機噪聲的影響*

艾文森 陳雪江/西安交通大學能源與動力工程學院

應用數(shù)值模擬的方法，分別對多翼離心風機進行了穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)及聲學計算，并進一步研究了葉片進口安裝角對多翼離心風機性能和噪聲的影響，獲得了風機在設(shè)計流量下的性能、蝸舌處壓力脈動及風機進口噪聲隨葉片進口安裝角的變化規(guī)律。最后，在對數(shù)值結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，獲得了提高風機性能及降低風機噪聲的最佳葉片進口安裝角。

葉片進口安裝角；多翼離心風機；壓力脈動；噪聲

0 引言

多翼式離心風機具有整體尺寸小、流量大、成本低等優(yōu)點，因此廣泛應用于空調(diào)系統(tǒng)。隨著社會生活水平的提高，人們對空調(diào)品質(zhì)的要求也越來越高，多翼離心風機作為空調(diào)系統(tǒng)中的主要噪聲源而受到廣泛關(guān)注。目前，許多學者采用數(shù)值計算分析或試驗分析的方法對多翼風機的降噪進行了大量研究，大部分降噪的方法都是基于改變蝸舌形狀來降低壓力脈動[1-10]。Sandra Velarde-Suarez等研究了蝸舌形狀及位置對噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)增大葉輪與蝸舌的間距能減小蝸舌處的壓力脈動并且降低噪聲[2-3]。蔡濤等通過數(shù)值模擬和實驗的方法,對某多翼離心風機葉片進口安裝角和蝸殼結(jié)構(gòu)進行改進，改進后風機在氣動性能和噪聲性能上有較大改善[4]。李棟等發(fā)現(xiàn)離心風機采用階梯蝸舌能夠減弱氣流對蝸舌的沖擊，從而降低風機噪聲[5]。吳大轉(zhuǎn)等研究了不等距布置葉片對微型風機氣動噪聲的影響，提出了5種葉片分布方式并進行了性能和氣動噪聲性能分析[6]。王軍等提出了一種基于非定常流場的多翼離心風機氣動噪聲分析方法，認為多翼離心風機氣動噪聲的峰值主要集中在基頻及諧波附近[7]。葉舟等研究了蝸舌部分及出口流場結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律，認為改善蝸舌及出口幾何結(jié)構(gòu),可以有效提高風機的壓頭及運行效率[8]。劉國丹等研究了多翼離心風機的出口安裝角、蝸舌曲率半徑和蝸殼型線對風機的影響，并確定了降噪優(yōu)化方案[9]。秦國良等對某多翼離心風機采用傾斜蝸舌，有效降低了離心風機的旋轉(zhuǎn)噪聲[10]。

綜上可見，對于多翼離心風機降噪的研究大多集中于蝸舌形狀與位置對風機噪聲的影響，對于葉片進口安裝角對噪聲影響的研究還比較少，因此本文應用FLUENT軟件研究了葉片進口安裝角對某多翼離心風機蝸舌處壓力脈動以及性能和噪聲的影響規(guī)律，并獲得了進口安裝角的最優(yōu)方案。

1 數(shù)值模型

本文所研究的風機為空調(diào)用雙吸多翼離心風機，單臺設(shè)計流量為345m3/h，單側(cè)葉輪的葉片數(shù)為41，葉輪外徑135mm，葉輪內(nèi)徑113.6mm，葉片進口安裝角為74.5°，葉片出口安裝角為151.5°，葉輪轉(zhuǎn)速為1 095r/min。圖1為該風機的葉輪與蝸殼三維幾何模型。

圖1 葉輪與蝸殼三維幾何模型

為了進一步研究葉片進口安裝角對多翼離心風機性能及噪聲的影響，本文應用FLUENT軟件分別對進口安裝角為27.5°，30°，35°，40°，45°， 60°，74.5°（原風機）和84.5°時風機的壓力、效率、蝸舌處壓力脈動以及進口噪聲進行了計算，并對計算結(jié)果進行了對比分析。

1.1 網(wǎng)格劃分

為了保證計算出口處的流動達到穩(wěn)定，在風機出口后面適當延長了一段距離，同時，為了使風機進口條件更加接近真實流動狀況，對風機進口采用了半球模型，從而風機整機計算物理模型如圖2所示。整個計算域可分為進口區(qū)域、葉輪區(qū)域、蝸殼區(qū)域以及風機出口延伸區(qū)域等四個部分。應用ICEM軟件對整個計算域進行了網(wǎng)格劃分，主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，最終形成的整機網(wǎng)格數(shù)量為580萬。

圖2 風機整機計算物理模型

1.2 邊界條件

風機進口及出口靜壓均設(shè)置為大氣壓，出口目標流量為0.115kg/s，葉輪采用旋轉(zhuǎn)坐標系，葉輪轉(zhuǎn)速為1 095r/min，壁面邊界條件為無滑移邊界條件。

1.3 湍流模型與聲學模型

本文分別對該多翼離心風機進行了穩(wěn)態(tài)及非穩(wěn)態(tài)流動計算。其中穩(wěn)態(tài)計算采用的湍流模型為k-ε標準模型，壓力與速度耦合方法為SIMPLE算法，動量方程、湍流動能以及湍流耗散方程均采用二階迎風格式離散，各項殘差均設(shè)置為10-5。而非穩(wěn)態(tài)計算采用的湍流模型為k-ε Realizable模型，壓力與速度耦合方法為SIMPLEC算法，時間項、動量方程、湍流動能以及湍流耗散方程項均采用二階迎風格式離散，各項殘差均設(shè)置為10-6。

在進行非穩(wěn)態(tài)計算時，采用如下公式確定計算的時間步長，

式中：n為葉輪轉(zhuǎn)速；z為葉片數(shù)；k為轉(zhuǎn)過單流道所需的時間步數(shù)，這里取k=16。因此，本文所取的時間步長為：Δt=8.35×10-5s，風機轉(zhuǎn)一圈所需656個時間步。在葉輪轉(zhuǎn)過兩圈后即可以獲得比較好的周期性非穩(wěn)態(tài)結(jié)果。

聲學模型采用F-WH計算模型。在獲得比較好的非穩(wěn)態(tài)結(jié)果后加入聲學模型，以所有的壁面為聲源，風機轉(zhuǎn)過一圈后計算進口截面軸線上距離進口截面一米處的聲壓。

2 數(shù)值計算結(jié)果

2.1 進口安裝角對風機性能的影響

首先對原風機進行穩(wěn)態(tài)計算，在設(shè)計工況下得到的風機全壓為78.2Pa，試驗測得的風機全壓為83Pa，數(shù)值計算結(jié)果與試驗的相對誤差為：

由此可見，數(shù)值計算結(jié)果相對于試驗結(jié)果來說是可靠的，說明我們可以利用建立的數(shù)值模型來進一步研究不同的進口安裝角對風機性能的影響規(guī)律。

圖3為該風機的全壓、靜壓以及全壓效率隨葉片進口安裝角的變化情況。由圖可知，葉片進口安裝角過大或者過小均導致風機全壓、靜壓和全壓效率的下降。這是因為當進口安裝角過大時進口沖擊損失有所增加，葉片進口流動狀況不好，導致效率降低；而進口安裝角過小時，進口處葉片彎曲度過大，分離損失增加，同樣致使效率降低。因此，根據(jù)圖3可知，當葉片進口安裝角在40°～45°之間時能夠獲得最大的全壓、靜壓和全壓效率。

2.2 進口安裝角對蝸舌處壓力脈動的影響

在獲得穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果后，又進一步對各進口安裝角下的風機流場進行了非穩(wěn)態(tài)計算，并將所獲得的蝸舌處的壓力脈動進行比較。圖4為風機軸向截面示意圖，在風機單個葉輪的軸向選取4個截面，分別定為a,b,c,d,其中a截面在蝸殼的中央，d截面距離蝸殼邊緣7mm，b和c截面均勻分布在a截面和d截面之間。

圖3 全壓、靜壓以及全壓效率隨葉片進口安裝角的變化圖

圖4 風機軸向截面示意圖

圖5 b截面上蝸舌處的壓力脈動時域結(jié)果隨葉片進口安裝角的變化圖

圖5給出了b截面上蝸舌處的壓力脈動時域結(jié)果隨葉片進口安裝角的變化情況，葉輪旋轉(zhuǎn)一圈會在監(jiān)測點處出現(xiàn)與葉片數(shù)相等的周期，即41個周期，為了更加清晰地比較蝸舌處壓力脈動隨葉片進口安裝角的變化情況，這里只取了其中的9個周期，即0.012s（60/1 095/41× 9≈0.012）。從圖中可知，在不同的葉片進口安裝角下，蝸舌處壓力脈動均出現(xiàn)了良好的周期性，即在0.012s內(nèi)出現(xiàn)9個周期。同時，隨著葉片進口安裝角的減小，壓力脈動的幅值逐漸降低，當進口安裝角減小到30°時獲得最小壓力脈動幅值，但隨著進口安裝角的進一步減小，壓力脈動幅值又有了上升的趨勢。這是因為蝸舌處的周期性壓力脈動是由葉輪出口氣流周期性地打在蝸舌上形成的，隨著葉片進口安裝角的減小，葉輪進口處氣流與葉片的沖角也有所減小，從而使得進口沖擊損失減小，改善了葉輪內(nèi)氣體的流動，因而葉輪出口以及蝸舌附近氣體的流動也隨之改善。如圖6所示為原風機與進口安裝角為35°時b截面葉輪出口及蝸舌絕對速度流線的對比，從圖中可以看出當葉片進口安裝角為35°時，葉輪出口及蝸舌附近流動狀況更好，因此其蝸舌壓力脈動值也更低。

圖6 葉輪出口與蝸舌絕對速度流線圖

圖7 b截面上蝸舌處的壓力脈動頻域結(jié)果隨葉片進口安裝角的變化圖

將葉輪旋轉(zhuǎn)一圈所獲得的壓力脈動時域結(jié)果進行快速傅里葉變換（FFT）即可得到不同進口安裝角壓力脈動的頻域結(jié)果。圖7給出了b截面上蝸舌處的壓力脈動頻域結(jié)果隨葉片進口安裝角的變化情況，從圖中可以看出，對于不同的進口安裝角，在葉片通過頻率（BPF=1 095×41/ 60≈750Hz）處均出現(xiàn)明顯的峰值，這與圖5所示的時域結(jié)果中良好的周期性是相對應的。隨著葉片進口安裝角的減小，BPF處壓力脈動的峰值逐漸降低，當進口安裝角減小到30°時獲得最小的脈動峰值，但隨著角度的進一步減小，脈動峰值有上升的趨勢，這與壓力脈動時域結(jié)果也是一致的。

為了更直觀地看出BPF處壓力脈動峰值隨葉片進口安裝角的變化規(guī)律，圖8給出了蝸舌處壓力脈動在BPF處的峰值隨葉片進口安裝角的變化情況。從圖中可以看出，在葉片進口安裝角為30°時，壓力脈動峰值達到最小值，為0.737Pa，而原風機的壓力脈動峰值為3.523Pa，因此通過選擇合適的葉片進口安裝角可大大減小蝸舌處壓力脈動的峰值。

圖8 蝸舌處壓力脈動在BPF處的峰值隨葉片進口安裝角的變化圖

2.3 進口安裝角對風機進口噪聲的影響

在獲得良好的周期性非穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果后，進一步加入聲學模型，即F-WH模型進行聲學計算。本文計算了不同的葉片進口安裝角下，風機進口軸線上距離集流器進口截面1m處的聲壓級。

由試驗測得的進口噪聲的聲壓級為48.1dB，由聲學模型計算獲得的進口噪聲的聲壓級為46.9dB。聲學模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差為：

模擬結(jié)果與試驗結(jié)果相對誤差較小，說明本文應用的聲學計算模型是可靠的。因此可以進一步利用聲學計算模型研究葉片進口安裝角對風機噪聲的影響規(guī)律。

圖9給出了風機進口聲壓級隨葉片進口安裝角的變化情況，由此可以看出，隨著進口安裝角的減小，進口噪聲的聲壓級逐漸降低，當進口安裝角為40°時，獲得聲壓級的最小值，最小值為41.0dB，但隨著進口安裝角的進一步減小，進口噪聲的聲壓級又有了上升的趨勢。多翼離心風機的噪聲由旋轉(zhuǎn)噪聲與渦流噪聲組成。由前面的計算結(jié)果可知，葉片進口安裝角過大或者過小不僅會增加蝸舌處壓力脈動的幅值，從而增大旋轉(zhuǎn)噪聲，同時還會導致葉輪內(nèi)氣體流動惡化，增大渦流噪聲。圖中顯示，葉片的進口安裝角在30°到40°的范圍內(nèi)，風機的進口噪聲最低，這與壓力脈動的計算結(jié)果是相一致的。因此，通過選擇合適的葉片進口安裝角可以大大降低風機噪聲，即采用40°的進口安裝角時，可以比原風機降低約5.9dB。

圖9 風機進口聲壓級隨葉片進口安裝角的變化圖

3 結(jié)論

本文應用FLUENT軟件分別對多翼離心風機在不同進口安裝角下進行了穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)以及聲學計算。穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果表明：降低進口安裝角有利于風機靜壓、全壓以及全壓效率的提高，當進口安裝角為40°時獲得最佳的風機性能；非穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果表明：降低進口安裝角可以降低蝸舌處壓力脈動，當進口安裝角為30°時獲得最小的壓力脈動峰值；聲學計算結(jié)果表明：降低進口安裝角可以降低風機噪聲，當進口安裝角為40°時可以獲得最小的噪聲值即41.0dB，比原風機計算值降低了5.9dB。

綜合上述結(jié)果：對于本文所研究的多翼離心風機，葉片進口安裝角為40°時，既能獲得較高的壓力和效率，又能獲得較低的風機進口噪聲，即噪聲從原來的46.9dB，降低至41.0dB，降低了5.9dB。因此，該風機的最優(yōu)進口安裝角為40°。

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Influence of Inlet Angle of Blades on Noise from Multi-blade Centrifugal Fans

Ai Wen-sen,Chen Xue-jiang/School of Energy and Power Engineering,Xi'an Jiaotong University

Steadycalculation,unsteady calculation and acoustic calculation are carried out by using numerical simulation methods respectively.Moreover,the influence of inlet blade angles on performance and the noise from multi-blade centrifugal fans is studied as well.At the design point of flow rate,the variation of performance, pressure fluctuation near volute tongue and inlet noise of fan with inlet blade angles is analyzed.Finally,the optimization of inlet blade angle，which both improves performance and reduces noise，is obtained from the analysis of numerical results.

Inletangleofblade; Multi-bladecentrifugalfan;Pressure fluctuation;Noise

TH432；TK05

A

1006-8155（2016）02-0037-07

10.16492/j.fjjs.2016.02.0112

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目（2012CB026001）

2015-12-12陜西西安710049