周唯儒 覃小倩

ZHOU Weiru QIN Xiaoqian

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

Gree Electric Appliances, Inc. of Zhuhai Zhuhai 519070

1 引言

隨著人們生活水平逐漸提高，廚房電器已經(jīng)不僅僅是烹飪器具，而是生活品質(zhì)的象征。任何廚房電器只要開始工作，就會發(fā)出噪聲，特別是吸油煙機噪聲，對人們的日常生活影響很大，會使人們感到煩躁，呼吸及脈搏加快，甚至出現(xiàn)神經(jīng)衰弱、頭暈、心率過速、食欲減退、失眠、易疲勞、記憶力減退等癥狀[1]。吸油煙機的噪聲、吸力對人民的生活品質(zhì)有著重要的影響[2]，好的吸油煙機不僅能夠吸凈油煙，還能為使用者提供安靜舒適的烹飪環(huán)境。然而隨著吸油煙機吸力的增加，噪聲也會同步增大，看似矛盾的兩個物理量其實可以通過合理的設(shè)計來找到最佳的平衡點。

典型的吸油煙機結(jié)構(gòu)主要由控制模塊、油網(wǎng)組件、風機部件、止回閥組件等組成。離心風葉在電機的帶動下產(chǎn)生負壓，將油煙吸入，通過蝸殼將油煙排出。風柜用來固定電機，通常風柜上會有降噪孔板和吸音棉用于減少噪音。油網(wǎng)則用于對油煙進行第一道分離，然后從油槽將油污導(dǎo)流至油杯中。

設(shè)計人員通過經(jīng)驗對吸油煙機的性能進行改進，并且對改進方案進行打樣測試，由于實際情況較為復(fù)雜，設(shè)計人員無法準確分析吸油煙機內(nèi)的流場狀況，只依賴經(jīng)驗設(shè)計已成為限制行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

2 氣動噪聲產(chǎn)生機理及特性

氣動噪聲是吸油煙機在工作過程中由于氣體壓力的波動而產(chǎn)生的噪聲。最近大量關(guān)于吸油煙機風道系統(tǒng)優(yōu)化的研究都在集中計算表面噪聲功率和直接計算葉輪旋轉(zhuǎn)引起的渦流噪聲，有論文顯示，其實驗值差距已達到3%，精度較高，可以用于指導(dǎo)吸油煙機在開發(fā)過程中的噪聲預(yù)測問題[3-6]。

吸油煙機氣動噪聲產(chǎn)生原因很多，比如葉片產(chǎn)生的噪聲，蝸舌處產(chǎn)生的噪聲，蝸殼處產(chǎn)生的噪聲等，下文進行簡單歸納。

2.1 風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的氣動噪聲

此類噪聲包括旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲。旋轉(zhuǎn)噪聲是由于風機旋轉(zhuǎn)時氣流流過蝸舌處產(chǎn)生周期性的壓力和速度脈動產(chǎn)生的。而渦流噪聲是由氣體流經(jīng)物體表面形成的紊流邊界層脫落，引起氣流壓力脈動造成的。它包括來流紊流噪聲、紊流邊界層噪聲、尾緣渦流脫落噪聲和葉尖渦流噪聲[5]。這些噪聲主要來自于翼形的后緣，包括氣流分離失速產(chǎn)生的噪聲，湍流邊界層后緣噪聲，層流邊界層渦脫落產(chǎn)生的噪聲，葉尖渦形成產(chǎn)生的噪聲，后緣鈍厚度導(dǎo)致渦脫落產(chǎn)生的噪聲[7]。風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的氣動噪聲可以通過改進葉形，使葉片表面的邊界層脫體降低，從而降低噪聲。比如改變?nèi)~片數(shù)量、葉輪尺寸、葉輪進口角或者葉輪出口角等。

為了減小翼形的氣動噪聲，采用主動控制和被動控制技術(shù)的智能葉片是新的研究方向。比如通過尾翼處產(chǎn)生負壓吸力來主動控制噪聲，主要原理是將邊界層吸近于物體表面從而達到減少噪聲的目的[8]。再比如吹氣襟翼通過削弱尾翼氣旋強度從而降低源強度，而這種主動附面層控制吹氣襟翼方案目前在飛機中應(yīng)用較多[9-14]。來源于貓頭鷹翅膀的仿生學(xué)設(shè)計葉片被應(yīng)用于翼形的被動控制降噪技術(shù)中，如圖1所示。該技術(shù)主要通過模擬貓頭鷹翅膀的尾翼鋸齒形結(jié)構(gòu)達到降噪的目的，貓頭鷹在捕獵的過程中，尾翼張開，形狀為鋸齒形結(jié)構(gòu)，此時的氣動噪聲也降低到最小[15,16]。鋸齒形尾翼的降噪涉及鋸齒的形狀、角度和來流攻角等。例如焦躍，楊愛玲等研究了齒根傾斜鋸齒尾緣葉片噪聲的降噪效果[17]；賀艷文研究了鋸齒尾緣對葉片尾跡特性的影響[18,19]；陳明，李傳鵬研究了鋸齒尾緣對壓氣機葉柵影響的數(shù)值模擬并得出尖齒整體效果優(yōu)于寬齒的結(jié)論[20]；智博文，張師帥等研究了尾緣鋸齒對斜流葉輪氣動噪聲的影響，得出尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可顯著降低斜流葉輪整體噪聲水平[21]；陳偉杰，喬渭陽等研究了前緣鋸齒可以減弱甚至完全抑制邊界層不穩(wěn)定噪聲[22]；楊景茹，楊愛玲等研究鋸齒尾緣能延遲邊界層分離[23]；仝帆，喬渭陽的研究表明鋸齒尾緣可以明顯降低翼型中低頻范圍內(nèi)的噪聲[24]。以上研究皆表明基于仿生學(xué)的鋸齒形尾翼結(jié)構(gòu)具有降低噪聲的作用，而鋸齒的形狀角度等參數(shù)對降噪的效果有很大的影響。

基于葉片的降噪方法有很多，其他的降噪方法還有采用仿生翼形設(shè)計。仿生翼型能夠在保證風機氣動性能的前提下，明顯降低風機氣動噪聲[25]。采用仿魚形葉片的多翼離心風機，噪聲平均值下降了2.78 dB[26]。采用非均勻葉輪設(shè)計的多翼離心風機可以降低噪聲2～4 dB[27]。多翼離心風機葉片的結(jié)構(gòu)改進也可以降低噪聲[28]。采用分段設(shè)計葉片結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化風機的氣動性能進而降低噪聲的產(chǎn)生[29]。采用多孔介質(zhì)吸聲材料制作葉片也可以降低噪聲[30-32]，但多孔介質(zhì)柔性因其加工工藝與成本原因?qū)е聦嵱眯圆粡?。而葉片穿孔技術(shù)也有降低噪聲的效果，但是不利于變工況條件下的噪聲抑制[33,34]。

圖1 仿生鋸齒尾翼形狀

2.2 蝸舌處產(chǎn)生的噪聲

蝸舌處的降噪也是風機降噪的一種常用手段，為了減小蝸舌處周期性壓力波動產(chǎn)生的噪聲，采用更加合理的蝸舌設(shè)計和優(yōu)化直接關(guān)系到噪聲降低的程度[35]。氣流流經(jīng)蝸舌時會在蝸舌的尾緣發(fā)生渦流脫落，使得氣流出口處的噪聲增加；蝸舌處的壓力脈動也將導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。來源于仿生學(xué)的蝸舌設(shè)計被引入到風機的降噪中，主要方法是對如鳥類的翅膀剖面形狀進行仿造，將相關(guān)線形結(jié)構(gòu)引入到蝸舌的設(shè)計中，采用仿生蝸舌的設(shè)計可以使蝸舌處的分離減小，降低了氣體在蝸殼內(nèi)的流動損失，風機效率也提高了4.33%[36]，蝸舌部的脈動降幅最高可達82.7%[37]。黃恩德通過模仿長耳鸮羽翼降噪原理，降低風機的噪聲0.5～2.5 dB[38]；劉小民，李爍根據(jù)鸮類翅膀的形狀進行仿生學(xué)逆向設(shè)計，設(shè)計了一種新的仿鸮翼前緣蝸舌，通過研究發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)的蝸舌風機與原型風機相比較，仿生蝸舌能夠有效抑制流動分離的產(chǎn)生，不僅風量增加了1.9 m3/min，而且噪聲下降了1.6 dB[39]。孫少明，任露泉等通過對鸮翼形狀仿生降噪蝸舌進行試驗，發(fā)現(xiàn)采用仿生蝸舌設(shè)計的結(jié)構(gòu)平均降噪約為1.8 dB，最大降噪值可以達到3.1 dB[40]。

除了引入仿生學(xué)的蝸舌結(jié)構(gòu)外，傾斜蝸舌也被引入到風機的降噪中。在研究風機運轉(zhuǎn)時，葉片作用下的氣體并沒有全部都從蝸舌處流出，在葉片間隙處有少量空氣流入風機內(nèi)部，導(dǎo)致反向二次流現(xiàn)象發(fā)生。不僅產(chǎn)生了能量損失，而且也會產(chǎn)生氣動噪聲[41]。陳陽，黃友根等學(xué)者的研究表明，隨著蝸舌傾斜角度的增加，可以改善蝸舌區(qū)域的流體蝸結(jié)構(gòu)，從而改善噪聲情況[42]；付雙成，劉雪東等研究傾斜蝸舌的多翼離心風機流場及噪聲的結(jié)果表明，傾斜蝸舌對多翼離心風機速度場的影響主要集中在蝸舌區(qū)域，在相同轉(zhuǎn)速下，多翼離心式風機采用傾斜蝸舌結(jié)構(gòu)能夠降低12.2 dB噪聲，不僅可以降低噪聲，同時也可以降低功耗[43]；趙婷，趙忖等通過對傾斜蝸舌離心風機的試驗研究，發(fā)現(xiàn)隨著蝸舌傾角的增加，風機的噪聲平均可降低約4.2 dB，在高效點處，可降低噪聲約5 dB[44]，傾斜蝸舌結(jié)構(gòu)如圖2所示。任剛，楊子善等將傾斜蝸舌前向離心風機配置簡易消聲器，在傾斜蝸舌降噪后用消聲器進一步降噪[45]；泰國良等對多翼離心通風機傾斜蝸舌降噪進行實驗，實驗結(jié)果也說明了傾斜蝸舌的降噪作用，因為傾斜蝸舌的設(shè)計并沒有增加設(shè)計難度，所以通常在設(shè)計中應(yīng)用較多[46]。

圖2 傾斜蝸舌示意圖[44]

階梯蝸舌將單蝸舌結(jié)構(gòu)改成兩個蝸舌結(jié)構(gòu)，形成高低階梯狀，以減輕氣流對蝸舌的沖擊。李棟，顧建明在提出階梯蝸舌蝸概念后進行的降噪分析中表明，此種蝸舌結(jié)構(gòu)可以降噪3 dB[47]。圖3為階梯蝸舌示意圖。

圖3 階梯蝸舌示意圖

內(nèi)凹式蝸舌結(jié)構(gòu)也具有降噪效果，它包括內(nèi)凹弧形蝸舌和內(nèi)凹槽形蝸舌，在對這兩種內(nèi)凹式蝸舌結(jié)構(gòu)進行研究后，內(nèi)凹弧形蝸舌結(jié)構(gòu)的多翼離心風機噪聲與傳統(tǒng)蝸舌的多翼離心風機相比降低了1.4 dB；內(nèi)凹槽形蝸舌結(jié)構(gòu)的多翼離心風機噪聲與傳統(tǒng)蝸舌的多翼離心風機相比降低了1.7 dB[48]。圖4為內(nèi)凹弧形蝸舌示意圖，圖5為內(nèi)凹槽形蝸舌示意圖。

2.3 蝸殼處產(chǎn)生的噪聲

此外，蝸殼的形狀及安裝位置也對吸油煙機的氣動噪聲有一定影響。蒲曉敏，王軍，肖千豪等對蝸殼與葉輪相對位置進行研究，結(jié)果表明當葉輪出口寬度和蝸殼總寬度的相對值為0.81時，其氣動性能最佳，噪聲下降0.75 dB[49]；周水清，王曼，李哲宇等對多翼離心風機蝸殼改型進行分析后得出蝸殼張開度擴大能夠抑制流動分離，風機噪聲降低了2.5 dB[50]?？梢姡仛さ男螤顚?nèi)部流動的影響很大[51-54]。同樣，蝸殼的安裝位置也對氣動噪聲有影響，比如改變風機、葉輪中心與蝸殼中心相對位置可以改變氣動噪聲情況[55]，實驗證明調(diào)整二者的相對位置可以降低噪聲[56]。

圖4 內(nèi)凹弧形蝸舌示意圖

圖5 內(nèi)凹槽形蝸舌示意圖

2.4 集流器處產(chǎn)生的噪聲

集流器是多翼離心風機的進口導(dǎo)流裝置，集流器的應(yīng)用可以有效改善風機出口流動狀態(tài)[57]。集流器的形狀、軸向高度、進口傾斜角度對葉輪氣流的利用率、蝸殼出口側(cè)集流器背部的漩渦都有影響[58-60]，同時，集流器也對離心風機的氣動性能有較大的影響[61,62]。所以集流器的安裝位置，集流器的尺寸形狀等不僅會影響風機的氣動性能，而且也會進一步的影響吸油煙機的噪聲。

2.5 箱體設(shè)計缺陷導(dǎo)致的氣動噪聲

當油煙進入箱體之后，由于受到各導(dǎo)流面的約束，會在風機產(chǎn)生的負壓帶動下進入煙機風機蝸殼[63]。煙氣被吸入腔體內(nèi)形成渦流，這種渦流在箱體內(nèi)回轉(zhuǎn)，無法排出，通常的解決辦法是通過CFD計算改進箱體結(jié)構(gòu)。

2.6 排風管對油煙機輻射噪聲的影響

雖然油煙機的噪聲在出廠的時候已經(jīng)由廠家進行測定并標明，但是在實際的安裝過程中，由于排風管的安裝不當或者其他因素，往往會出現(xiàn)油煙機的輻射噪聲級增大，同時有可能會產(chǎn)生異音，因而受到很多用戶的反映和投訴。安裝排風管后對油煙機的噪聲有影響[64]。根據(jù)黃偉稀，侯宏，諸永定等在排風管對油煙機輻射噪聲的影響中的研究結(jié)果可知安裝排風管后對油煙機的噪聲影響。如表1所示，安裝排風管后2號油煙機轉(zhuǎn)速增大了37.5%，測點1處聲壓級增大3.3 dB；而1號油煙機轉(zhuǎn)速增大了11.8%，聲壓級減小1.2 dB。

表1 安裝排風管前后油煙機轉(zhuǎn)速與聲壓級的對比[64]

3 氣動噪聲仿真分析方法

氣動噪聲的分析方法通常是借助于CFD仿真，仿真結(jié)果的精確性不僅與仿真邊界條件參數(shù)的確定有關(guān)，還與物理模型的選擇、仿真結(jié)果的判定、實驗的對標情況有關(guān)。通過仿真可以判斷噪聲產(chǎn)生的位置、大小，仿真流程如圖6所示。

圖6 仿真開發(fā)流程圖

3.1 數(shù)值計算方法理論基礎(chǔ)

CFD（計算流體動力學(xué)）是將時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，用有限個離散點的變量值集合來代替從而求解方程組獲得場變量的近似值。在CFD軟件中計算噪聲分為三個步驟：第一步計算定常流場，第二步計算非定常流場，第三步進行聲場計算。計算結(jié)果通過監(jiān)測入口出口質(zhì)量流量，或者壓力溫度等參數(shù)進行判斷，殘差曲線需要下降到10-3，對于基于壓力的求解能量曲線需要下降到10-6。

定常流場的計算通過設(shè)置相應(yīng)的物理模型和參數(shù)進行?？刂品匠滩捎肦eynolds時均Navier-Stokes方程，湍流計算采用Realizable k-epsilon雙方程模型和Scalable Wall Function近壁面控制方程，壓力速度耦合采用SIMPLE算法，壓力離散格式采用PRESTO格式，動量方程、能量方程和湍流耗散方程均采用二階迎風格式，旋轉(zhuǎn)區(qū)采用多參考系模型，動、靜區(qū)交界面為Interface邊界條件[65,66]。

由于吸油煙機的流速較低（Ma＜1），所以計算的時候忽略流體的壓縮性。采用MRF方法來模擬多翼離心風機的旋轉(zhuǎn)，湍流計算采用Realizable k-epsilon模型[67]，SIMPLE（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations）算法自1972年由S. V. Patankar和D. B. Spalding提出，是一種主要求解不可壓流場的方法，它是采用“猜測-修正”的過程，在交錯網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來計算壓力場，從而求解N-S方程[68]。

二階迎風格式通過上游單元節(jié)點的物理量確定控制體積截面的物理量，二階迎風格式不僅需要用到上游最近一個節(jié)點的值，還需要用到另一個上游節(jié)點的值[69]。對于四面體網(wǎng)格，因為流動不會和網(wǎng)格成一條線，此時需要使用二階離散來獲得更高精度的結(jié)果，雖然一階離散一般會比二階離散收斂的好，但是精度略差。一階離散用在與網(wǎng)格成一條線的簡單流動，數(shù)值耗散低，通常用一階離散代替二階離散而不損失精度。

根據(jù)第一步完成的定常計算結(jié)果，進行第二步非定常計算，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用滑移網(wǎng)格進行，時間項采用二階隱式格式，時間步長用下式確定[70]：

其中，K為每一時間步內(nèi)設(shè)定的最大迭代步數(shù)；n為葉輪轉(zhuǎn)速，單位為rpm；Z為葉片數(shù)。

第三步進行聲場的計算，聲場的計算是根據(jù)經(jīng)典的FW-H方程進行，它是氣動聲學(xué)的理論基礎(chǔ)之一[71]。

單極項如下：

偶極項如下：

四極項如下：

式中：

ui——i方向上的流體速度分量；

un——與表面垂直的流體速度分量；

νi——i方向上的表面速度分量；

νn——與表面垂直的表面速度分量；

ni——表面法向矢量；

σij——粘性應(yīng)力張量；

ρ0——遠場密度；

Pij——壓縮應(yīng)力張量；

Tij——Lighthill應(yīng)力張量；

下標ret——表示阻礙時間，即發(fā)射的時間。

方程（3）（4）（5）右側(cè)分別代表的是單極子源、偶極子源和四極子源。本文對于多翼離心風機的數(shù)值計算，四極子源忽略不計。

隨著計算機硬件設(shè)備的發(fā)展以及軟件技術(shù)的突破，上述計算過程可通過商用有限元軟件進行，目前主流的軟件比如ANSYS公司的Fluent以及西門子公司的Star CCM+都可以完成。

3.2 實驗方法

通過上述方法預(yù)測的結(jié)果普遍存在結(jié)果的精度問題，通常的解決方法是：首先用一個量產(chǎn)的機型做實驗，實驗按照GB/T 17713-2011《外排式吸油煙機氣動性能試驗測試方法》和GB/T 17713-2011《吸油煙機噪聲試驗測試方法》的規(guī)定進行。為實驗對象測出產(chǎn)品的噪聲，而后將三維模型進行簡化，通過進行仿真分析得出一個初始的結(jié)果。初步判斷結(jié)果后，再對仿真的參數(shù)進行修改，直到滿足企業(yè)內(nèi)部的評判標準要求為準。而后續(xù)的新產(chǎn)品開發(fā)，就會用這組參數(shù)進行分析，得出的結(jié)果通過已有的誤差估計判斷真實的噪聲問題，從而改進產(chǎn)品設(shè)計。實驗值的測量至少要選擇三個以上的樣機進行測定，從而避免個體差異導(dǎo)致的實驗值偏差。以上流程參見圖7所示流程圖。

圖7 仿真產(chǎn)品開發(fā)流程圖

通過上述仿真計算的結(jié)果精度較高，誤差一般在5%以內(nèi)，可以滿足工程應(yīng)用的要求。表2列出了風機的噪聲計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比[65]。

表2 風機仿真噪聲結(jié)果和實驗結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文從吸油煙機的氣動噪聲產(chǎn)生原理出發(fā)，介紹了氣動噪聲的產(chǎn)生原因，降低氣動噪聲的途徑。

吸油煙機的噪聲產(chǎn)生原因很多，需要系統(tǒng)的多學(xué)科協(xié)同工作才能解決。目前對吸油煙機的氣動噪聲優(yōu)化多集中于多翼離心風機部分，包括葉形、蝸舌、蝸殼等，本文分別從以上幾點出發(fā)，闡述了目前主流的解決辦法。

吸油煙機的噪聲產(chǎn)生原因復(fù)雜且具有疊加性。不僅需要從電機的選型入手，而且也需要協(xié)同每個零件的材料、固有頻率以及設(shè)計結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振型進行研究；不僅要考慮結(jié)構(gòu)共振，還要考慮風機工作過程中的氣動噪聲，蝸殼的設(shè)計是否合理，葉片的選型是否科學(xué)等。作為研發(fā)人員，應(yīng)盡量從噪聲源頭減少噪聲的產(chǎn)生，并合理的通過隔振技術(shù)、減震技術(shù)、吸聲、消聲等傳統(tǒng)手段在噪聲的傳播路徑上進行降噪，確保最大限度地減輕吸油煙機向外輻射噪聲，以用戶的健康為前提，提高產(chǎn)品的用戶體驗及市場競爭力。