盧宇晴，李建功，劉佳鑫，2

(1.華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063009；2.華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

伴隨著社會的發(fā)展人們對于車輛的需求也越來越大。近些年來，由于空調系統(tǒng)和排氣凈化裝置的普及，冷卻風扇的負荷逐漸加大，而冷卻風扇本身又是車輛最大噪聲源之一，這就使得噪聲污染變得更為嚴重。因此對冷卻風扇進行改進使得其運行時產(chǎn)生的噪聲保持在一個合理的范圍內，不但能夠降低噪聲污染，減少對人們身心健康的威脅，而且能夠提高軸功率，使得冷卻風扇的有用功增加，從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

近些年來，眾多國內外研究者對于冷卻風扇的研究已取得了一定的成果，這也為本研究提供了很多理論參考依據(jù)。本文將針對各類冷卻風扇降噪的一般方法和一些新型方法進行系統(tǒng)論述，從而能夠進一步明確冷卻風扇在降低噪聲方面的發(fā)展趨勢，為未來冷卻風扇的進一步改進提供思路。

1 冷卻風扇噪聲產(chǎn)生機理

冷卻風扇噪聲由機械噪聲和氣動噪聲組成，而風扇的氣動噪聲是整個動力艙中噪聲的主要來源。氣動噪聲由旋轉噪聲和渦流噪聲組成，旋轉噪聲的噪聲值峰值處為其基頻處，通常情況下，該噪聲值是冷卻風扇的最高聲壓值。渦流噪聲在頻帶上的變化主要受風扇轉數(shù)、葉片的結構特征、葉珊參數(shù)、氣流參數(shù)以及實際工況條件的影響。

旋轉噪聲主要是由于風扇在旋轉過程中扇葉對周圍空氣施加作用力，使得空氣產(chǎn)生脈動，進而使空氣流動狀態(tài)不均勻產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲是冷卻風扇旋轉噪聲的主要組成部分。除此之外，風扇在旋轉時葉片在前緣區(qū)域會形成比較厚的空氣附面層，而在葉片安裝角和風扇葉型的影響下風扇葉片尾緣處的空氣壓力和速度都比風扇葉片間流道區(qū)域的壓力和速度大，產(chǎn)生的脈動壓力極其不穩(wěn)定，從而引發(fā)噪聲污染。

渦流噪聲之所以會產(chǎn)生是因為風扇運轉時氣體會流經(jīng)風扇葉片，在此過程中葉片表面會產(chǎn)生紊流附面層，對葉片產(chǎn)生壓力作用，附面層的狀態(tài)越紊亂伴隨的噪聲越大，紊亂氣流很容易產(chǎn)生渦流和二次渦流，渦流在破裂和脫落時都會產(chǎn)生特別大的脈動壓力及渦流噪聲。

2 噪聲的抑制手段

2.1 選擇性能較好的風扇單體

冷卻風扇單體的性能影響因素主要包括風扇葉片數(shù)目、葉片安裝角、風扇轉速、風扇直徑大小、葉片間的間距，以及風扇翼型的選擇和制作風扇的材料等。針對風扇單體的設計問題而產(chǎn)生的噪聲污染問題，國內外學者對其進行了廣泛的探索與研究，并取得了一定的成果。

劉雄等[1]針對葉型不同的冷卻風扇，對葉型參數(shù)、氣動參數(shù)以及氣動噪聲之間的內在聯(lián)系進行了深入分析，為接下來冷卻風扇更加精密的設計提供了理論依據(jù)。耿麗珍等[2]搭建冷卻風扇風道試驗臺，并依據(jù)試驗臺在FLUENT軟件上建立模型進行相關仿真分析，分析出其流場分布的特點，并利用聲學模塊對其氣動噪聲開展研究，最后將扇葉的參數(shù)優(yōu)化，達到了降低氣動噪聲的目的。Rama Krishna S等[3]將冷卻風扇翼型設計為NACA，然后應用FLUENT軟件對該系列葉型進行流場分析和噪聲分析，研究發(fā)現(xiàn)當冷卻風扇選擇NACA65-010翼型時，其噪聲能夠降低13 dB(A)左右，風量能夠增加11.6%，該結果與試驗數(shù)據(jù)的誤差在5.8%以內。Ikeda等[4]在相對較低的雷諾數(shù)條件下，使用數(shù)值方法研究了兩個NACA翼型在流動時周圍產(chǎn)生的氣動聲場，在他們的研究中，邊界剪切層中最大的放大頻率不一定與翼型后緣噪聲的主要頻率一致，這是邊界層不穩(wěn)定的證據(jù)。有研究表明，當風扇葉片在圓周方向的間隔不均勻時，氣流模式的頻率會發(fā)生改變，使得風扇整體噪聲水平降低[5]。Cattanei等[6]總結了軸流風扇葉片轉子的葉片布置方法，將很多葉片噪聲疊加視為一個干擾問題，通過計算干擾函數(shù)，從理論上可以快速預測葉片分布對噪聲譜的影響，為接下來的噪聲研究奠定基礎。Anghinolfi等[7]將優(yōu)化算法結合起來，以獲得對噪聲最佳改善效果，并進一步改進了隨機葉片分布的設計方法。劉潔等[8]調整了冷卻風扇和導風罩間的相對位置，針對冷卻風扇的噪聲風速比進行計算，最后實現(xiàn)了冷卻風扇噪聲風速比降低，并改善了冷卻風扇的綜合性能。

由以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，選擇較好的冷卻風扇單體的最大優(yōu)勢在于能夠針對冷卻風扇的每個具體問題進行具體分析并加以改進，從而達到降噪效果，但是僅限于風扇單體本身，對于實際工況還需要設計多個研究方案進行對比分析，才能得出最佳方法實現(xiàn)冷卻風扇的節(jié)能降噪，工作量相對偏大。

2.2 選擇較好的散熱器以及冷卻風扇匹配模式

可以通過合理布置冷卻風扇、導風罩、散熱器三者之間的相對位置來達到降噪的效果。Behzadmehr等[9]通過實驗研究了整個冷卻系統(tǒng)的進口參數(shù)及冷卻系統(tǒng)內部的相互作用對風扇降噪和氣動性能的影響，在實驗中他們引入了一些與降噪和提高效率相關的關鍵參數(shù)，所得結果顯示：使用最高的入口曲率將噪聲水平從68.08 dB(A)降低至63.68 dB(A)，并將效率從29.2%提高到43.3%；將風扇按照入口鐘形件位置(無徑向間隙)布置可以將噪聲水平降低至62.78 dB(A)，并將效率提高至45.8%；最后，使用雙曲形狀護罩將噪聲水平降低到60.09 dB(A)，并將效率提高到48.5%。在最近幾年，為了有效地預測輻射噪聲，學者們已經(jīng)研究了另一種混合方法，該方法基于SAS(Scale Adaptive Simulation，尺度自適應仿真)湍流模型和不帶護罩的URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes,非定常雷諾時均法)計算流體動力學的結果，取得了豐富的成果，有效預測并降低了冷卻風扇噪聲[10，11]。

選擇較好的散熱器以及冷卻風扇匹配模式的目的是為了能夠有效降低風扇噪聲，從而實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，但是因為其研究時間相對較短、研究人員相對較少，因此對其還需要更進一步地研究與探討。

2.3 應用仿生技術改進風扇

仿生學是生物科學與工程技術相結合的一門交叉學科，它為科學研究提供了新的思路和方法。仿生學的任務就是研究生物體系所擁有的特殊能力以及該能力產(chǎn)生的機理，接下來將其模式化，應用相應的原理來進行技術設備的設計制造與改良。在自然界中，一些生物在長期的逐漸進化中形成了具有環(huán)境選擇特征的獨特的身體結構和表面，如鯊魚鰭、鯊魚皮、鳥類翅膀，在研究這些生物結構和特性的基礎上，提出并發(fā)展了各種節(jié)能、降噪的方法。

Ren等[12]通過實驗證明了長耳貓頭鷹前緣的非光滑羽毛對低噪聲飛行有顯著影響，實驗測量結果表明，貓頭鷹的圓弧齒形前緣被量化為波高波長比為0.12～0.19的正弦曲線，數(shù)值結果表明，該方法能夠有效地抑制噪聲，噪聲降低了5 dB(A)～10 dB(A)。梁[13]在軸流風機葉片前緣采用了鋸齒仿生結構，使氣動噪聲降低了2.2 dB，流量提高了11.2%，效率提高了5.3%。李疆鴻等[14]研究發(fā)現(xiàn)，鸮類的羽毛結構相比較其他飛禽而言具有一定的特殊性，鸮類的羽毛表面具有立體網(wǎng)格狀的羽小枝，這樣便能讓鸮類在捕獵時做到“悄無聲息”，因此他們將鸮類獨特的羽毛結構和風扇葉片相結合，使風扇的氣動性能得到了很好的改善。劉小民等[15]研究發(fā)現(xiàn)，蒼鷹在飛行過程中可以做到幾乎沒有聲音，這一點同它長時間生存的周邊環(huán)境所形成的特殊體表降噪系統(tǒng)有著最直接的關系，蒼鷹的體表羽毛呈現(xiàn)的條紋和羽毛端部的鋸齒狀態(tài)為降噪的主要因素，而條紋結構可以使翅膀表面的附面層空氣流動狀態(tài)發(fā)生改變進而使得氣流在流動時能夠順著條紋流動的方向流動，從而將紊流氣體產(chǎn)生的渦流噪聲和壓力脈動降低。

從上述分析與介紹可知，應用仿生技術改進冷卻風扇葉片能夠有效地實現(xiàn)抑制冷卻風扇噪聲的目標，其技術正在逐漸成熟。研究人員首先將仿生學應用于冷卻風扇，并通過仿真、實驗進行分析，驗證其合理性，接下來針對具體問題進行隨后的具體研究，不但能夠提高工作效率，還使得結果更加精確。

3 結論

(1) 從理論上說，選擇較好的冷卻風扇單體和選擇較好的散熱器以及冷卻風扇匹配模式可以很容易地實現(xiàn)降低噪聲的目的，但是當作用在具體工況時，由于實際工況下的情況十分復雜，要想證明該選擇能滿足實際工況下的需求并實現(xiàn)降噪和節(jié)能環(huán)保的目的，就需要大量的實驗以及對比分析，工作量巨大，而且不確定性高，局限性很大。

(2) 應用仿生技術改進風扇實現(xiàn)降噪效果相比較而言就顯得“智能”很多，可以根據(jù)現(xiàn)有生物自身身體結構特征對風扇扇葉進行改造，使得扇葉具有同某生物身體結構和表面相似的特征，這樣便可以按照人為設計的軌跡進行實驗操作和分析，而且該技術發(fā)展前景特別廣闊，因此這種方法效果更佳。

(3) 冷卻風扇降噪的趨勢是學者和研究者將所有的研究方法同實際工作中現(xiàn)實工況的具體環(huán)境相結合而制定研究方案，對冷卻風扇進行改進，從而減輕冷卻風扇在運行時所產(chǎn)生的噪聲污染并節(jié)約能源。