李 亮，張 斌，滕新科，萬(wàn) 軍

（1.中聯(lián)重科股份有限公司，長(zhǎng)沙 410013；2.建設(shè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410013）

掃路車專用風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真研究

李 亮1,2，張 斌1,2，滕新科1，萬(wàn) 軍1,2

（1.中聯(lián)重科股份有限公司，長(zhǎng)沙 410013；2.建設(shè)機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410013）

以某型號(hào)掃路車專用風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲特性為研究對(duì)象，運(yùn)用Lighthill聲比擬理論和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)掃路車專用風(fēng)機(jī)的非定常流場(chǎng)和氣動(dòng)聲場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值研究，獲得專用風(fēng)機(jī)聲功率級(jí)分布和氣動(dòng)噪聲頻譜特性。計(jì)算結(jié)果表明：掃路車專用風(fēng)機(jī)的噪聲源主要分布在葉片的吸力面和蝸舌區(qū)域；掃路車專用風(fēng)機(jī)的噪聲主要為低頻噪聲，吸力面的壓力脈動(dòng)是低頻噪聲的主要來(lái)源，離散噪聲在氣動(dòng)噪聲中所占的比重較大；葉片及蝸舌的設(shè)計(jì)是掃路車專用風(fēng)機(jī)氣動(dòng)降噪需重點(diǎn)考慮的因素。

聲學(xué)；掃路車專用風(fēng)機(jī)；計(jì)算流體力學(xué)；氣動(dòng)噪聲；數(shù)值仿真

隨著國(guó)家環(huán)境戰(zhàn)略的強(qiáng)勢(shì)推進(jìn)，作為城鎮(zhèn)環(huán)衛(wèi)作業(yè)主力軍的掃路車，其高噪高能耗特性和日益提高的低噪節(jié)能環(huán)保要求之間的矛盾日益突出，掃路車專用離心風(fēng)機(jī)是清掃氣力系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件、動(dòng)力源和主要噪聲源[1]，其降噪需求也日益迫切。

目前，針對(duì)離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲研究主要集中在噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、噪聲源的類別和噪聲源位置的確定等幾個(gè)方面。離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲主要分為旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲，旋轉(zhuǎn)噪聲屬于離散噪聲，是由旋轉(zhuǎn)的葉片周期性的打擊空氣質(zhì)點(diǎn)引起空氣脈動(dòng)所產(chǎn)生的。由于離心風(fēng)機(jī)工作時(shí)，蝸殼周圍的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)與葉輪旋轉(zhuǎn)形成的不均勻流場(chǎng)相互作用會(huì)形成壓力脈動(dòng)。當(dāng)風(fēng)機(jī)葉輪每次通過(guò)狹窄處時(shí)，都會(huì)在其葉片上形成一個(gè)脈沖，向外擴(kuò)散形成旋轉(zhuǎn)噪聲，其頻率等于葉片通過(guò)這點(diǎn)的頻率，這個(gè)頻率也稱為旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻。除了基頻以外，旋轉(zhuǎn)噪聲還包含很多其他諧頻，其頻率是基頻的整數(shù)倍，因此旋轉(zhuǎn)噪聲在頻譜圖中以離散的形式表現(xiàn)[2]。渦流噪聲又稱為漩渦噪聲或湍流噪聲，它是葉輪在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉輪葉片與氣流相互作用、耦合所輻射的寬頻帶噪聲，主要包括來(lái)流湍流噪聲、湍流邊界層噪聲、尾緣渦脫落噪聲和葉尖噪聲。渦流噪聲的頻率與漩渦脫落的頻率有關(guān)，而在等距葉片上，漩渦脫落的頻率又正比于斯特勞哈爾數(shù)Sr和特征速度V的乘積。由于葉片前緣到葉片尾緣其特征速度V連續(xù)分布，因此渦流噪聲在頻譜圖以連續(xù)的形式表現(xiàn)。

1 計(jì)算域及測(cè)試點(diǎn)選取

本文數(shù)值模擬的掃路車專用風(fēng)機(jī)主要由進(jìn)口段、出口段、葉輪以及蝸殼構(gòu)成；葉輪葉片由長(zhǎng)、短葉片組成，長(zhǎng)葉片與短葉片數(shù)量均為15，葉片總數(shù)為30，長(zhǎng)、短葉片沿圓周均勻相間分布，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要參數(shù)詳見表1。

圖1 離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

在蝸舌上選取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)A(P1)、B(P2)、C(P3)；在靠近蝸舌附近的三個(gè)葉片尾端上取6個(gè)觀察點(diǎn)，壓力面上的點(diǎn)為Di，吸力面上的點(diǎn)為di。所有點(diǎn)均處在離心風(fēng)機(jī)葉輪中截面上，各觀察點(diǎn)具體位置如圖2所示。

圖2 部分測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

2 數(shù)值求解方法

2.1 氣動(dòng)噪聲控制方程

氣動(dòng)噪聲的數(shù)值計(jì)算主要圍繞著直接數(shù)值求解法和Lighthill聲比擬方法展開。直接求解法就是將流場(chǎng)和聲場(chǎng)統(tǒng)一求解[3]，在不引入任何封閉模型的情況下求解N-S方程。但由于在流場(chǎng)中只有壓力微小脈動(dòng)會(huì)影響到聲波，因此使用直接求解法求解氣動(dòng)噪聲所需要的網(wǎng)格數(shù)量十分巨大，該方法只能用于簡(jiǎn)單計(jì)算。Lighthill聲比擬方法將流場(chǎng)分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)，首先利用CFD求解近場(chǎng)，得到近場(chǎng)（包括氣動(dòng)聲源）處的聲學(xué)信息，然后利用計(jì)算得到的聲學(xué)信息計(jì)算出聲源，再通過(guò)波動(dòng)方程計(jì)算接收點(diǎn)的聲壓值[4]。

Lighthill方程是由流體力學(xué)的基本方程N(yùn)-S方程和連續(xù)性方程推導(dǎo)而來(lái)。N-S方程和連續(xù)性方程為：

連續(xù)性方程

式中ρ為密度，p為壓強(qiáng)；ν為運(yùn)動(dòng)黏度；fi為體積力；μe為湍流黏性系數(shù)；μ為分子黏性系數(shù)，μt為渦黏性系數(shù)。

采用工程上應(yīng)用廣泛的RNGk-ε湍流模型，該模型通過(guò)對(duì)湍流粘性進(jìn)行修正，考慮了旋轉(zhuǎn)及曲率效應(yīng)對(duì)流動(dòng)的影響，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型相比可以較好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[5]。在RNGk-ε模型中，k方程和ε方程分別如下所示：

k方程

2.2 網(wǎng)格生成

采用三維建模軟件進(jìn)行實(shí)體建模，運(yùn)用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件生成網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格時(shí)，考慮到掃路車專用風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及網(wǎng)格的生成質(zhì)量，采用分塊劃分網(wǎng)格，各個(gè)區(qū)域單獨(dú)生成合適的網(wǎng)格，相鄰的區(qū)域共用一個(gè)面。劃分網(wǎng)格時(shí)首先進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，確保網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算精度不造成影響，確立了網(wǎng)格數(shù)約為1.14×106、2.4×106、6.33×106的3種網(wǎng)格。不同網(wǎng)格數(shù)計(jì)算所對(duì)應(yīng)的性能曲線與試驗(yàn)性能曲線對(duì)比如圖3所示。

表1 離心風(fēng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 全壓與流量關(guān)系曲線

考慮到數(shù)值預(yù)估的精度，本文選取網(wǎng)格數(shù)量約為6.33×106。蝸殼和葉輪采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，并對(duì)曲率變化較大的面進(jìn)行了網(wǎng)格加密[7–8]（如圖4所示），最終劃分的網(wǎng)格總數(shù)為6 329 353。

圖4 葉片和蝸舌表面網(wǎng)格

2.3 方程離散與求解

計(jì)算時(shí)“動(dòng)—靜”區(qū)域（即葉輪—蝸殼區(qū)域）的處理采用滑移網(wǎng)格模型。離散方法采用有限體積法，壓力—速度耦合關(guān)系采用SIMPLE算法；湍動(dòng)能、耗散率、動(dòng)量方程的離散采用2階迎風(fēng)格式，使用速度入口及壓力出口邊界條件，其中進(jìn)口速度為24.76 m/s，出口壓力為一個(gè)大氣壓。

葉片在葉輪內(nèi)沿圓周均勻分布，且轉(zhuǎn)速恒定，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為6.41×10-5s，這個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的選擇與葉輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)，即每經(jīng)過(guò)360個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)，葉輪旋轉(zhuǎn)一周（時(shí)間為T）。這個(gè)時(shí)間很短，能夠獲取葉輪所需要的旋轉(zhuǎn)角度，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代次數(shù)為20，葉輪轉(zhuǎn)速為2 600 r/min。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)及聲功率級(jí)分布

3.1.1 風(fēng)機(jī)內(nèi)部流動(dòng)分析

圖5為離心葉輪內(nèi)部流場(chǎng)壓力云圖分布及流線圖，由于氣流進(jìn)口預(yù)旋的影響，使得進(jìn)口氣流存在一定的攻角，導(dǎo)致部分葉片進(jìn)口附近的吸力面產(chǎn)生了分離流動(dòng)（見圖5），該分離流動(dòng)的存在加劇了葉輪流道流場(chǎng)的惡化，使葉輪流道中出現(xiàn)了漩渦、回流等流動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而增大了風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲；圖6為瞬時(shí)渦量云圖，由圖可看出葉輪區(qū)域與蝸舌區(qū)域的渦量值較大，其非定常流動(dòng)將導(dǎo)致一定的壓力波動(dòng)，從而對(duì)氣動(dòng)噪聲有明顯的貢獻(xiàn)[9]。因此，葉片及蝸舌的設(shè)計(jì)是離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲優(yōu)化要重點(diǎn)考慮的因素。

圖5 葉輪內(nèi)部壓力分布及流線圖

圖6 風(fēng)機(jī)渦量分布圖

3.1.2 風(fēng)機(jī)表面聲功率級(jí)分布

由于蝸殼結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性，導(dǎo)致葉輪與蝸舌區(qū)域的流道間隙較小，從葉輪尾部脫落的流體渦團(tuán)在蝸舌壁面的擠壓、分割作用下，產(chǎn)生強(qiáng)烈的漩渦流動(dòng)乃至回流，該非定常流動(dòng)增加了葉輪氣流作用在蝸舌表面的脈動(dòng)壓力，增大了離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲，由圖7、圖8可知，蝸舌區(qū)域的聲功率級(jí)在整個(gè)蝸殼表面最高，是離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源之一。

由圖9可知，葉片1、2、3附近的流道（即靠近蝸舌區(qū)域的葉輪流道）由于排出氣流受阻，導(dǎo)致該區(qū)域流道內(nèi)部容易產(chǎn)生漩渦形成回流，從而增強(qiáng)了葉片表面的脈動(dòng)壓力，造成離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的增加。

圖7 蝸殼表面

圖 8蝸舌區(qū)域聲功率級(jí)

圖9 葉輪表面聲功率級(jí)

3.1.3 風(fēng)機(jī)長(zhǎng)、短葉片聲功率級(jí)分布

由圖10、圖11葉片表面聲功率級(jí)分布云圖可以看出，風(fēng)機(jī)長(zhǎng)、短葉片吸力面聲功率級(jí)比壓力面聲功率級(jí)高，是風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的主要噪聲源之一。這主要是由于吸力面在逆壓梯度作用下容易發(fā)生分離流動(dòng)產(chǎn)生較強(qiáng)的壓力脈動(dòng)，從而造成較大的氣動(dòng)噪聲；長(zhǎng)葉片吸力面靠近進(jìn)口的底盤附近存在一個(gè)高噪聲區(qū)域，而短葉片吸力面靠近進(jìn)口的前盤附近存在一個(gè)高噪聲區(qū)域，這兩個(gè)區(qū)域成為風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲源的主要部位。

3.2 噪聲計(jì)算結(jié)果的頻譜特性分析

利用快速傅里葉變換進(jìn)行頻譜分析，了解振幅頻率特性。對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)樣本值進(jìn)行了FFT變換，得到了各個(gè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)頻譜圖，以此分析風(fēng)機(jī)壓力脈動(dòng)的特性。頻譜圖中，橫坐標(biāo)為頻率值，縱坐標(biāo)為各個(gè)頻率值對(duì)應(yīng)的壓力脈動(dòng)能量幅值。通過(guò)觀察不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的頻譜圖，可以比較不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)的能量幅值的大小。

3.2.1 風(fēng)機(jī)進(jìn)出口處噪聲頻譜特性

圖12為距離風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口1 m處氣動(dòng)噪聲接收點(diǎn)的聲壓值頻譜圖。由前面分析可知，旋轉(zhuǎn)噪聲是以基頻和諧頻的離散形式呈現(xiàn)的，而湍流噪聲則是以連續(xù)的形式呈現(xiàn)的，從噪聲頻譜圖12可以看出，掃路車專用風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲頻譜值中既有波峰又是連續(xù)分布的，這說(shuō)明該風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲中既包含旋轉(zhuǎn)噪聲又包含湍流噪聲。離散噪聲的頻率與葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速有密切聯(lián)系，離散噪聲的基本頻率也稱為葉片通過(guò)頻率（BPF），以符號(hào)f1表[10]

式中Z為葉片數(shù)；n為葉輪轉(zhuǎn)速。

除了頻率為f1的基頻旋轉(zhuǎn)噪聲外，還有頻率與f1成整數(shù)倍的高階諧頻噪聲，其頻率大小為

式中i為諧波序號(hào)，i=2、3、4…，i=1時(shí)為基頻[9]。

圖10 長(zhǎng)葉片表面聲功率級(jí)

圖11 短葉片表面聲功率級(jí)

由式（8）計(jì)算出離心風(fēng)機(jī)的基頻為1 300 Hz，而圖12中在1 300 Hz左右出現(xiàn)波峰，說(shuō)明仿真是可靠的[11–12]。

圖13是氣動(dòng)噪聲接收點(diǎn)A聲級(jí)1/3倍頻程圖，在倍頻程圖中幅值越大代表該部分頻率對(duì)應(yīng)于A聲級(jí)的貢獻(xiàn)越大，從進(jìn)、出口倍頻程圖中可以看出，頻率在90 Hz～1 400 Hz范圍內(nèi)的噪聲對(duì)于A聲級(jí)影響最大，從頻譜圖12中可知在這一范圍內(nèi)的噪聲主要為離散噪聲。綜上所述，掃路車專用風(fēng)機(jī)的主要噪聲為離散噪聲，且主要為低頻噪聲。針對(duì)離心風(fēng)機(jī)在特定頻率如葉片通過(guò)頻率（f1=1 300 Hz)處噪聲較高的現(xiàn)象，采取被動(dòng)消聲方式降低特定頻率下的噪聲，可以取得較好的降噪效果。

3.2.2 葉片表面頻譜特性分析

由圖14可知，葉片壓力面脈動(dòng)的周期性更強(qiáng)，在整個(gè)計(jì)算頻段范圍內(nèi)聲壓級(jí)大小相差不多，因此葉片壓力面脈動(dòng)既是離心風(fēng)機(jī)低頻噪聲的來(lái)源，也是離心風(fēng)機(jī)高頻噪聲的主要來(lái)源；而吸力面的壓力脈動(dòng)在1 500 Hz以內(nèi)呈現(xiàn)明顯的離散特性，在其它頻段呈連續(xù)特性，且吸力面上的壓力脈動(dòng)幅值在高頻區(qū)域較小，說(shuō)明葉片吸力面的壓力脈動(dòng)是離心風(fēng)機(jī)低頻噪聲的主要來(lái)源。

3.2.3 蝸舌表面頻譜特性分析

從圖15可以看出，蝸舌表面噪聲的頻率集中在f1=1 300 Hz（葉片通過(guò)頻率噪聲，BPF）2 600 Hz，3 900 Hz等基頻及高階諧頻附近，說(shuō)明蝸舌處噪聲主要是由葉輪流道出口氣流周期性打擊蝸舌表面產(chǎn)生的，因此控制葉輪與蝸舌間隙以降低打擊力可以有效降低風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)掃路車專用風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)口附近的吸力面存在分離流動(dòng)，該分離流動(dòng)的存在惡化了風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)，使葉輪流道出現(xiàn)了漩渦、回流等現(xiàn)象。

(2)蝸舌表面和葉片吸力面的聲功率級(jí)較高，是風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的主要來(lái)源，也是噪聲源主要分布位置。

(3)掃路車專用風(fēng)機(jī)的主要噪聲為離散噪聲，且以低頻噪聲為主，吸力面的壓力脈動(dòng)是低頻噪聲的主要來(lái)源。

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圖12 風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口處噪聲頻譜特性

圖13 離心風(fēng)機(jī)A聲級(jí)1/3倍頻程圖

圖14 葉片表面噪聲頻譜特性圖

圖15 蝸舌表面噪聲頻譜特性圖

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Numerical Study onAerodynamic Noise of Road Sweeper Fan

LI Liang1,2,ZHANG Bin1,2,TENG Xin-ke1,WAN Jun1,2
(1.Zoomlion Heavy Industry Science＆Technology Co.Ltd.,Changsha 410013,China; 2.State Key Laboratory of Construction Machinery,Changsha 410013,China)

The feature of the aerodynamic noise of a road sweeper fan is studied.The Lighthill acoustic analogy theory and CFD technique are used to investigate the transient flow field and the aerodynamic field of the road sweeper fan.The sound power level distribution and aerodynamic noise spectrum characteristics are obtained.The calculation result shows that the noise source is mainly distributed in the blade suction surface and the volute tongue region of the road sweeper fan. The noise of road sweeper fan is mainly low frequency noise,and the pressure fluctuation of the suction surface is the main source of the low frequency noise.The discrete noise dominates the aerodynamic noise.Therefore,design of the blade and the volute tongue is the key factor for aerodynamic noise reduction of the road sweeper fan.

acoustics;road sweeper fan;CFD;aerodynamic noise;numerical simulation

O422.6

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.03.027

1006-1355(2017)03-0135-06

2016-11-01

湖南省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2016RS3011）

李亮（1985－）男，湖北省云夢(mèng)縣人，主要研究方向?yàn)楣こ塘黧w系統(tǒng)及其部件內(nèi)流特性的機(jī)理研究、數(shù)值仿真、測(cè)試分析。E-mail:20924010@zju.edu.cn

張斌（1983－）男，江西省鄱陽(yáng)縣人，主要研究方向?yàn)楣こ塘黧w系統(tǒng)及其部件內(nèi)流特性的機(jī)理研究、數(shù)值仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。E-mail:sjtu2009@163.com