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        基于正交試驗的軸流風扇葉片仿生設計與分析

        2020-03-20 07:18:34李疆鴻肖恩勝佟思語
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年2期
        關(guān)鍵詞:軸流齒槽聲壓級

        李疆鴻 肖恩勝 李 明 佟思語 陳 坤

        (新疆大學機械工程學院,新疆 烏魯木齊 830047)

        0 引言

        軸流風扇在我們的生活中應用廣泛,近年來,有關(guān)軸流風扇的噪聲控制問題受到廣大研究者的關(guān)注。

        一些研究者采用添加消聲裝置[2]和改變導流罩外形[2]等一些傳統(tǒng)的方式來降噪,雖取得了一定的效果,但適用范圍不夠廣。隨著仿生學的不斷發(fā)展,基于仿生思想對風扇葉片進行改造已成為近些年的研究熱點。一些研究者的研究表明,鸮類具有獨特的羽毛結(jié)構(gòu)(羽毛邊緣的非光滑形態(tài)以及羽毛表面羽小枝的立體網(wǎng)格狀形態(tài)等),使其能夠“靜音”捕捉獵物?;谳S流風扇和鳥類翅膀在運動特性上具有的相似性,研究者們通過仿生技術(shù)將鸮獨特的羽毛結(jié)構(gòu)應用到軸流風扇上,以此來改善軸流風扇的氣動性能,并獲得了很好的降噪效果。

        該文將領(lǐng)角鸮比較明顯的條紋結(jié)構(gòu)和齒槽狀形態(tài)建立在軸流風扇葉片表面上,采用正交試驗的優(yōu)化方案,利用CFD 仿真模擬的方式對比研究條紋和齒槽形態(tài)耦合作用對軸流風扇氣動噪聲的影響。

        1 模型及試驗方案

        1.1 原型風扇的選擇

        該文選取一款電腦散熱風扇作為原型風扇,具體參數(shù)為葉片數(shù)11 片,工作電壓為5 V,工作電流約為0.22 A,風扇外徑130 mm,輪轂直徑40 mm,輪轂高度25 mm,聲壓級值約21 dB。

        1.2 仿生風扇葉片的設計

        領(lǐng)角鸮可以“靜音”飛行主要是依靠其翅膀表面的條紋結(jié)構(gòu)和翅膀末端羽毛間呈現(xiàn)的齒槽形態(tài)[3-4]。因此,將這種獨特的條紋結(jié)構(gòu)和齒槽形態(tài)建立在風扇葉片表面上。具體設計如下。首先,在風扇的每個葉片正壓力面添加5 條繞輪轂等距排列的凸起狀條紋結(jié)構(gòu)。其次,在風扇后緣條紋間添加等距的齒槽狀結(jié)構(gòu)。

        條紋截面采用曲線型輪廓,這是因為截面曲線型輪廓比直線型輪廓條紋所受的徑向應力更小,而且通過仿真模擬發(fā)現(xiàn),采用曲線型截面的風扇氣動性能更好。條紋在水平面的投影線型設計為圓弧線和漸開線2 種。采用SolidWorks2018 三維建模軟件對仿生風扇進行建模。所用漸開線極坐標方程式為:

        式中:t 為參數(shù),基圓半徑r=12 mm。

        圖1(a)為條紋線型為圓弧線的仿生風扇葉片,圖1(b)為條紋線型為漸開線的仿生風扇葉片,圖1(c)為標注示意圖。

        1.3 試驗方案

        試驗方案需要考慮條紋線型(因素A)、條紋寬度(因素B)、條紋間距(因素C)、齒槽寬度(因素D)4 個主要影響因素。領(lǐng)角鸮翅膀條紋結(jié)構(gòu)具有窄而高的特點,因此設定的仿生風扇葉片條紋寬度水平分別為1 mm、2 mm 和3 mm,并且設定條紋寬高比為1 ∶2。條紋主要起分隔氣流,降低氣流紊亂程度的作用。條紋間距太小或太大都不會起到很好的隔流效果,因此,應選擇適合原型風扇的條紋間距水平,分別設定為6 mm、7 mm 和8 mm。齒槽寬度需要適應條紋間距水平,設定齒槽寬度水平分別為2 mm、3 mm 和4mm。試驗因素水平表見表1。

        表1 因素水平表

        采用L9(21×33)正交試驗方案,建立9 個仿生風扇葉片模型,并與原型風扇葉片進行對比試驗,分析其轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min 時的噪聲情況。

        圖1 仿生風扇葉片模型圖

        2 試驗過程與結(jié)果分析

        2.1 網(wǎng)格劃分

        在ICEM 軟件中建立流體域模型,圖2 為流體域模型簡圖。外圍為一個大的空氣靜止域,內(nèi)部有一個小的風扇轉(zhuǎn)動域。由于在風扇葉片轉(zhuǎn)動過程中,空氣主要在出口段流動,因此,設定出口段比入口段長。

        圖2 流體域模型簡圖

        采用適應性較好的四面體網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,為得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量,可以單獨設置每一部分的網(wǎng)格大小。設定靜止域最大網(wǎng)格尺寸為10 mm,轉(zhuǎn)動域最大網(wǎng)格尺寸為3 mm,風扇葉片表面最大網(wǎng)格尺寸為1 mm。網(wǎng)格質(zhì)量檢測良好。圖3 為仿生葉片附近面網(wǎng)格劃分截圖。

        2.2 仿真模擬

        將網(wǎng)格文件導入Fluent 18.0 中進行仿真模擬。采用壓力入口和壓力出口的邊界條件,并設置靜壓均為0 Pa。在中間旋轉(zhuǎn)域建立運動坐標系,設置繞風扇軸線旋轉(zhuǎn)速度分別為2 000 r/min、2 500 r/min、3 000 r/min。先進行穩(wěn)態(tài)流場分析,待計算收斂后再進行瞬態(tài)噪聲分析,可以得到更貼合實際的聲壓級值[5]。

        噪聲分析采用FW-H 方程式,設定噪聲接收點在沿軸線速度方向距離輪轂中心500 mm 處。仿真結(jié)果見表2。對比發(fā)現(xiàn)原型風扇仿真模擬的聲壓級值和產(chǎn)品參數(shù)中風扇的聲壓級值接近,從而驗證了仿真模擬實驗的正確性。從表中可以看出,在2 000 r/min、2 500 r/min 和3 000 r/min 3 種不同轉(zhuǎn)速下,仿生風扇聲壓級的峰值與原型風扇相比均有降低,且在這3 種轉(zhuǎn)速下,8 號仿生風扇的降噪效果最佳,聲壓級峰值分別降低了7.5 dB、6.5 dB 和8.4 dB。

        圖3 仿生葉片附近面網(wǎng)格劃分截圖

        表2 仿真模擬結(jié)果

        2.3 極差分析

        根據(jù)對試驗結(jié)果進行極差分析(見表3),對影響該文仿生風扇氣動噪聲的各因素進行了主次排序,并得出了不同轉(zhuǎn)速下各因素水平的最優(yōu)組合。對比發(fā)現(xiàn)齒槽寬為影響仿生風扇氣動噪聲的主要因素,條紋線型為漸開線的降噪效果優(yōu)于圓弧線,條紋寬度對仿生風扇氣動噪聲影響最小。

        表3 仿真結(jié)果極差分析

        2.4 頻譜分析

        導出Fluent 18.0 計算得到的聲壓級頻譜圖(如圖4 所示),對比分析原型風扇和8 號仿生風扇的聲壓級頻譜關(guān)系[6-7]。觀察圖4 頻譜圖發(fā)現(xiàn)。1)原型風扇和8 號仿生風扇的聲壓級峰值均出現(xiàn)在較低頻段,原型風扇在500 Hz 左右,8 號仿生風扇在4 000 Hz 左右。2) 原型風扇和8 號仿生風扇在高頻段對聲壓級值都有抑制,但8 號仿生風扇頻譜曲線斜率更大,因此抑制效果更好。3)并且發(fā)現(xiàn)相同轉(zhuǎn)速下原型風扇聲壓級最小值與8 號仿生風扇聲壓級峰值相當,說明仿生風扇降噪效果良好。

        圖4 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min 時原型風扇和8 號仿生風扇聲壓級頻譜圖

        3 結(jié)語

        該文采用正交試驗方案,設計了9 個具有條紋和齒槽耦合的仿生軸流風扇。利用CFD 仿真模擬軟件分析計算了原型風扇葉片和9 個仿生風扇葉片的噪聲情況,并進行了對比實驗。實驗結(jié)果表明,仿生風扇葉片具有良好的降噪效果,并且8 號仿生風扇葉片降噪效果最好。在2 000 r/min、2 500 r/min 和3 000 r/min 3 種不同轉(zhuǎn)速下聲壓級峰值最高可分別降低了7.5 dB、6.5 dB 和8.4 dB,降低率分別為35.2%、29.5%和36.1%。

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