徐鵬飛 王 剛 沈芝瑩 王海波 李言亮 郭丹萍

（1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 淮安 223001 2.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院徐州 221000 3.安徽華邦工程設(shè)計(jì)有限公司 淮北 235000）

1 研究背景

我國(guó)是一個(gè)水利大國(guó)，水力發(fā)電普遍廣泛的存在于日常生活中，水輪機(jī)的應(yīng)用更是普遍。由于水輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，其中各個(gè)部件里面的散熱風(fēng)扇等產(chǎn)生的噪音也比較高，為了增強(qiáng)產(chǎn)品的體驗(yàn)感和舒適性，設(shè)備工作狀態(tài)的降噪措施就顯得很有必要，本文旨在通過數(shù)值分析的方法對(duì)水輪機(jī)裝置里的散熱風(fēng)扇進(jìn)行流場(chǎng)分析和降噪處理。

隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)及數(shù)值分析的快速發(fā)展，利用計(jì)算流體力學(xué)的方法討論流噪聲的分布規(guī)律及降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化逐漸步入學(xué)者視線，目前已有部分成功算例，對(duì)結(jié)構(gòu)的流噪聲進(jìn)行優(yōu)化，該課題擬采用CFD方法結(jié)合聲學(xué)基本知識(shí)對(duì)水輪機(jī)設(shè)備中風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的流噪聲進(jìn)行分析研究，并通過改變風(fēng)扇結(jié)構(gòu)使風(fēng)扇達(dá)到降噪的效果。

根據(jù)某風(fēng)扇幾何數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維幾何模型，外圍建立類似于風(fēng)洞的通道，為一個(gè)圓柱體，其中風(fēng)洞直徑為800mm，保證了取值在葉片直徑（110mm左右）5D～10D的范圍內(nèi)，整個(gè)風(fēng)洞入口距離風(fēng)扇主體設(shè)備650mm，出口距離風(fēng)扇主體設(shè)備750mm，從流線圖中可以看出該計(jì)算域滿足計(jì)算要求。

2 數(shù)值分析過程

2.1 物理模型及模擬流程

圖1 切面體的網(wǎng)格分布圖

該分析主要涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械和噪聲分析部分，其中旋轉(zhuǎn)機(jī)械采用mesh motion滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬，噪聲分析采用Acoustics模型的F-W&H模型對(duì)噪聲進(jìn)行討論，考慮到計(jì)算資源結(jié)合計(jì)算精度，湍流模型采用k-e RNG實(shí)現(xiàn)，設(shè)置壓力入口，壓力出口，數(shù)值相對(duì)大氣壓為0，風(fēng)扇壁面考慮為無滑移壁面。

應(yīng)用mesh motion對(duì)問題進(jìn)行分析，并檢測(cè)風(fēng)扇葉片表面的靜壓力分布，通過之前試算可以得到當(dāng)計(jì)算到0.5s時(shí)風(fēng)扇葉片表面靜壓力基本穩(wěn)定，因此此時(shí)可以認(rèn)為計(jì)算流場(chǎng)已經(jīng)消除了初始化的影響，此時(shí)在加載噪聲模型，設(shè)置噪聲源面和接收點(diǎn)位置坐標(biāo)，計(jì)算0.1s左右，得到噪聲源面和接收點(diǎn)未做坐標(biāo)的壓力脈動(dòng)數(shù)據(jù)，通過FFT轉(zhuǎn)化則可以得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處的噪聲值大小，可以通過顯示葉片表面的壓力脈動(dòng)云圖來判斷壓力脈動(dòng)強(qiáng)弱的位置出現(xiàn)在哪里，從而指導(dǎo)進(jìn)行降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。

2.2 網(wǎng)格及幾何無關(guān)性分析驗(yàn)證

從計(jì)算精度和計(jì)算效率兩點(diǎn)出發(fā)，需要進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析及外部計(jì)算域無關(guān)性分析，具體內(nèi)容如下：

2.2.1 計(jì)算求解域

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性曲線圖

圖3 流線圖

圖4 葉片優(yōu)化幾何模型圖

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置圖

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置表

表2 優(yōu)化前后監(jiān)測(cè)點(diǎn)分貝值大小表

根據(jù)所提供幾何模型信息，建立類似于風(fēng)洞的通道，為一個(gè)圓柱體，其中風(fēng)洞直徑為800mm，保證了取值在葉片直徑（110mm左右）5～10D的范圍內(nèi)，整個(gè)風(fēng)洞入口距離風(fēng)扇主體設(shè)備650mm，出口距離風(fēng)扇主體設(shè)備750mm，從流線圖上可以看出該計(jì)算域滿足計(jì)算要求。

2.2.2 網(wǎng)格無關(guān)性分析

對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性分析，由于該分析主要注重風(fēng)扇的流噪聲仿真，因此對(duì)風(fēng)扇周圍的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性分析，風(fēng)扇遠(yuǎn)場(chǎng)網(wǎng)格按照經(jīng)驗(yàn)劃分的足夠精細(xì)，保證能精確捕捉流場(chǎng)信息，劃分了如下尺度的網(wǎng)格，分別為35萬(wàn)、65萬(wàn)、113萬(wàn)、160萬(wàn)、224萬(wàn)單元數(shù)。根據(jù)所劃分網(wǎng)格截取體網(wǎng)格平面可以看出計(jì)算域中網(wǎng)格的大致分布情況，基本原則為葉片設(shè)備較密，外部較稀疏，如圖1所示。

根據(jù)該計(jì)算域內(nèi)不同網(wǎng)格尺度的計(jì)算，獲取葉片表面的靜壓力分布的大致平困值，作出X-Y散點(diǎn)圖如圖2，從圖中更可以看出趨勢(shì)，葉片表面的面平均靜壓力值隨著網(wǎng)格數(shù)量的增大而逐漸增大，并逐漸區(qū)域穩(wěn)定，從圖中可以看出，結(jié)合計(jì)算耗時(shí)，選取網(wǎng)格尺度為113萬(wàn)或160萬(wàn)，能夠得到較為精確的結(jié)果。

2.2.3 計(jì)算域合理性的驗(yàn)證

從圖3中可以看出風(fēng)扇影響范圍（流線所在地方）均在計(jì)算域圓柱筒風(fēng)洞之內(nèi)，因此證明此計(jì)算域選取是合理的。通過對(duì)網(wǎng)格無關(guān)性和幾何結(jié)構(gòu)無關(guān)性分析可得出適合于該計(jì)算的網(wǎng)格尺度和計(jì)算域大小，確定網(wǎng)格尺度為160萬(wàn)尺度，確定計(jì)算域大小為洞直徑為800mm，整個(gè)風(fēng)洞入口距離風(fēng)扇主體設(shè)備650mm，出口距離風(fēng)扇主體設(shè)備750mm。

3 降噪優(yōu)化分析

通過對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，可以得到風(fēng)扇附近的流場(chǎng)分布規(guī)律以及壓力分布情況，通過顯示風(fēng)扇葉片表面的壓力分布可以得到風(fēng)扇表面壓力脈動(dòng)較強(qiáng)的地方就出現(xiàn)在葉片外緣倒直角地方?；谠擖c(diǎn)，對(duì)倒角部分作了倒圓角處理，并在相同條件下進(jìn)行計(jì)算，提取數(shù)據(jù)，得到的檢測(cè)點(diǎn)噪聲值較優(yōu)化前少了10%～30%，該優(yōu)化風(fēng)扇葉片方法通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后可以投入使用，另針對(duì)通風(fēng)距離和通風(fēng)量的研究也要考慮到其中。

周圍空氣由于受到風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的作用向風(fēng)扇中心位置聚集，然后由于風(fēng)扇葉片的推動(dòng)作用流向風(fēng)扇吹風(fēng)方向。從風(fēng)扇葉片整個(gè)壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，整個(gè)葉片表面壓力脈動(dòng)較強(qiáng)的位置出現(xiàn)在葉片外緣倒直角部分的位置處，由此可以判定此處的壓力脈動(dòng)較強(qiáng)，所以此處為產(chǎn)生噪聲的主要位置，產(chǎn)生的噪聲值也最大。針對(duì)以上問題，本文對(duì)葉片表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，具體優(yōu)化方法為對(duì)葉片外邊緣進(jìn)行倒圓角，倒圓角半徑為0.2mm，葉片優(yōu)化幾何模型圖如圖4所示。對(duì)優(yōu)化后的模型計(jì)算時(shí)，選取3個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)如表1，在葉片中位置如圖5所示。

通過只改變?nèi)~片外緣幾何結(jié)構(gòu)在相同計(jì)算模型條件下進(jìn)行噪聲分析，得出三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)如表2，從數(shù)據(jù)中可以看出，通過改變幾何模型達(dá)到了降低風(fēng)扇葉片噪聲值大小的目的，最高減小率為32.4%，由此可得適當(dāng)改變?nèi)~片結(jié)構(gòu)可以有效降低噪聲。

通過計(jì)算可以得出，優(yōu)化前與優(yōu)化后對(duì)風(fēng)通量的大小影響較小，以所截取平面內(nèi)速度的面平均來判定風(fēng)通量的變化值，比較數(shù)據(jù)可以得，較優(yōu)化前風(fēng)通量降低了3.3%左右，降低值相對(duì)于噪聲的降低值可以接受。

4 結(jié)論

本文采用數(shù)值分析的方法對(duì)某葉片的噪聲屬性進(jìn)行了分析，通過建立三維模型，劃分網(wǎng)格并設(shè)置求解計(jì)算實(shí)現(xiàn)了數(shù)值分析方法對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)葉片的仿真，并提取了數(shù)據(jù)結(jié)果?；跀?shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并修改三維模型重新劃分網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比優(yōu)化前優(yōu)化后的數(shù)據(jù)結(jié)果，證明通過在葉片外緣加倒圓角的形式有利于在保證風(fēng)通量的情況下減小葉片在相同轉(zhuǎn)速下的噪聲分貝值，從而達(dá)到了降噪的目的。該分析結(jié)果能夠?yàn)樾D(zhuǎn)機(jī)械降噪方法的研究提供一定參考