鄔長(zhǎng)樂(lè)， 陳二云， 楊?lèi)?ài)玲， 李國(guó)平

(1.上海理工大學(xué) 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200093；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

離心風(fēng)機(jī)作為旋轉(zhuǎn)類(lèi)機(jī)械家族中的一員，因其壓頭大、流量小的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于換氣、通風(fēng)等設(shè)備中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，離心風(fēng)機(jī)的用電量占全國(guó)發(fā)電量的5%左右[1]，在能源稀缺的大環(huán)境下，研制開(kāi)發(fā)節(jié)能、高效的離心風(fēng)機(jī)勢(shì)在必行。此外，離心風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題不容忽視，其振動(dòng)和噪聲有嚴(yán)格的限制標(biāo)準(zhǔn)。如何讓離心風(fēng)機(jī)保持高效率和低噪聲的工作狀態(tài)是近年來(lái)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。

離心風(fēng)機(jī)的噪聲源可分為氣動(dòng)噪聲、電磁噪聲和結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲，其中氣動(dòng)噪聲約占總噪聲的45%[2]，而葉輪作為離心風(fēng)機(jī)唯一的動(dòng)部件，其性能決定了離心風(fēng)機(jī)整體的氣動(dòng)和噪聲特性。自然界的許多動(dòng)物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期演化，形成了出色的寂靜飛行、無(wú)聲游動(dòng)等本領(lǐng)，如貓頭鷹和座頭鯨，受它們啟發(fā)，仿生學(xué)原理為葉輪機(jī)械的增效降噪設(shè)計(jì)提供了新思路。Gruber等[3]在NACA65翼型基礎(chǔ)上加裝鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)能降噪約5 dB。仝帆等[4-5]將SD2030翼型尾緣切成鋸齒狀，并將其安裝在渦輪葉柵上，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬表明：鋸齒尾緣翼型可降低層流邊界層分離引起的渦脫落噪聲，中低頻下的寬頻噪聲也有所降低，但高頻下噪聲略有增大。焦躍等[6]對(duì)比了傳統(tǒng)直鋸齒尾緣和傾斜鋸齒尾緣在降噪效果上的差異，發(fā)現(xiàn)傾斜鋸齒結(jié)構(gòu)可以明顯削弱傳統(tǒng)鋸齒鈍尾緣在低頻段產(chǎn)生的窄帶尖峰噪聲。王紹興[7]在軸流風(fēng)機(jī)葉頂前緣、尾緣和前尾緣組合處進(jìn)行鋸齒處理，數(shù)值模擬結(jié)果表明：鋸齒結(jié)構(gòu)降低了吸力面和壓力面的壓差，減少了倒流，破壞了葉頂附近渦流，提高了風(fēng)機(jī)全壓和效率，且仿生軸流風(fēng)機(jī)噪聲至少降低了2.8 dB。Corsini等[8]發(fā)現(xiàn)正弦波浪形前緣可有效提高風(fēng)扇的抗失速能力，當(dāng)風(fēng)扇處于峰值壓比狀態(tài)時(shí)，波浪形前緣可小幅提高風(fēng)扇效率。Hansen等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NACA0021翼型前緣為波浪形時(shí)，層流邊界層噪聲明顯下降，且振幅越大、波長(zhǎng)越小，降噪效果就越好。Chen等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了波浪形前緣對(duì)NACA0012翼型不穩(wěn)定噪聲的影響，得到類(lèi)似Hansen等的結(jié)論，并揭示了其降噪機(jī)制，即波浪形前緣翼型在波谷處會(huì)產(chǎn)生流向渦，增強(qiáng)了邊界層內(nèi)動(dòng)量交換，影響了邊界層的穩(wěn)定性，削弱甚至破壞聲學(xué)反饋回路。陳子龍[11]將凹坑結(jié)構(gòu)引入NACA6510表面，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該非光滑表面結(jié)構(gòu)將葉片尾跡區(qū)大尺度渦破碎成小尺度渦系，減少了速度虧損，降低了葉片的輻射噪聲。

雖然現(xiàn)有針對(duì)翼型的仿生結(jié)構(gòu)多種多樣，但鮮有研究將其應(yīng)用在離心風(fēng)機(jī)葉片上。筆者將正弦波形前緣(下文簡(jiǎn)稱(chēng)波形前緣)、傾斜鋸齒尾緣(下文簡(jiǎn)稱(chēng)鋸齒尾緣)及凹坑非光滑表面(下文簡(jiǎn)稱(chēng)表面凹坑)等仿生結(jié)構(gòu)引入小型離心風(fēng)機(jī)葉輪，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，探究了仿生離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和聲場(chǎng)的分布規(guī)律，并對(duì)比分析了這些仿生結(jié)構(gòu)對(duì)離心風(fēng)機(jī)增效和降噪的影響，為離心風(fēng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型及邊界條件

筆者所研究的離心風(fēng)機(jī)原型為后彎式離心風(fēng)機(jī)，設(shè)計(jì)工況下其體積流量為qV=4 000 m3/h，全壓Δp=1 200 Pa，轉(zhuǎn)速n=2 900 r/min，葉片數(shù)為19，采用NACA-Yang翼型造型。進(jìn)口安裝角β1從葉根處的25°近似線(xiàn)性變化至葉頂處的31°，出口安裝角β2=39°[12]。3種仿生葉片模型如圖1所示。

圖1 仿生葉片模型

Fig.1 Bionic blade model

圖1(a)中的波形前緣結(jié)構(gòu)由2個(gè)正弦波疊加而成，其設(shè)計(jì)公式為：

(1)

式中：hi為正弦波形振幅,h1/C=h2/C=2.5%，C為弦長(zhǎng)；bi為角頻率，bi=2πC/λi，λi為波長(zhǎng)，λ1/C=25%，λ2/C=8.3%。

圖1(b)為鋸齒尾緣葉片，齒寬λ=0.12C，齒高h(yuǎn)=0.5(h1+h2)=0.112C，斜切角φ=30°(φ為斜切方向與翼型中弧線(xiàn)切線(xiàn)之間的夾角)。

圖1(c)為表面凹坑結(jié)構(gòu)，凹坑布置在葉片吸力面上距前緣65%C處，坑間距s=2.5 mm，坑深度δ=0.5 mm，坑直徑d=2.5 mm。

采用多域方法處理計(jì)算域，整機(jī)劃分成3個(gè)計(jì)算子域，分別為進(jìn)口域、葉輪域以及蝸殼和出口合并而成的一個(gè)域，如圖2(a)所示，為確保進(jìn)、出口氣流均勻穩(wěn)定，進(jìn)出口段均延長(zhǎng)了5倍管道當(dāng)量直徑。定常計(jì)算共設(shè)計(jì)5組工況，分別為0.6qV、0.8qV、qV、1.1qV和1.2qV，非定常計(jì)算只在設(shè)計(jì)體積流量qV下進(jìn)行。由于來(lái)流最大馬赫數(shù)為0.086，故可認(rèn)為離心風(fēng)機(jī)內(nèi)的流體是不可壓縮的。給定速度進(jìn)口、壓力出口邊界條件，固體壁面為無(wú)滑移壁面邊界條件。

定常計(jì)算選用兩方程湍流模型中的可實(shí)現(xiàn)k-ε模型，采用多參考系(MRF)方法，各子域獨(dú)立求解控制方程，流場(chǎng)信息的傳遞通過(guò)interface面實(shí)現(xiàn)；非定常計(jì)算采用大渦模擬(LES)方法，用MRF模型提供的定常收斂解作為初場(chǎng)，通過(guò)滑移網(wǎng)格技術(shù)獲取瞬態(tài)信息。時(shí)間步長(zhǎng)取葉輪每旋轉(zhuǎn)1°所用時(shí)間，由式(2)求得Δt=5.747 126×10-5s。共計(jì)算3 600步(葉輪轉(zhuǎn)10圈)，完成前5圈非定常計(jì)算后，開(kāi)啟FW-H方程求解聲場(chǎng)，聲源積分面除葉片表面外還包括蝸殼和管道等壁面。壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置在葉輪出口半葉高處的蝸殼壁面附近，沿流向共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2(b)所示。

(2)

(a) 整機(jī)計(jì)算域劃分

(b) 壓力脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)

1.2 網(wǎng)格劃分及其無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

以波形前緣型風(fēng)機(jī)為例，葉輪域內(nèi)部分網(wǎng)格如圖3所示，由于葉片前緣、尾緣處曲率變化大，易發(fā)生流動(dòng)分離，為充分捕捉流場(chǎng)信息，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。此外，在各仿生葉片仿生結(jié)構(gòu)位置處同樣設(shè)置了網(wǎng)格局部加密區(qū)。

(a) 葉片表面網(wǎng)格

(b) 葉片邊界層網(wǎng)格

(c) 葉片壁面y+值

壁面首層網(wǎng)格高度為0.015 mm，增長(zhǎng)率取1.09，共25層，圖3(c)為L(zhǎng)ES方法計(jì)算后的結(jié)果，葉片壁面附近y+值控制在1左右[13]，滿(mǎn)足大渦模擬對(duì)網(wǎng)格的要求。由于改型部件為葉輪，故設(shè)計(jì)了4套不同密度的原型葉輪域網(wǎng)格，其他域網(wǎng)格數(shù)保持一致。圖4(a)給出了設(shè)計(jì)體積流量下的無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到500萬(wàn)左右時(shí)，離心風(fēng)機(jī)全壓和效率保持穩(wěn)定，最終確定葉輪域網(wǎng)格數(shù)為510萬(wàn)，整機(jī)網(wǎng)格數(shù)達(dá)780萬(wàn)，仿生葉輪模型網(wǎng)格參數(shù)與原型相同。

(a) 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

(b) 全壓計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比

圖4(b)給出了原型風(fēng)機(jī)全壓實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值的對(duì)比，在0.6qV下定常計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差最大，相對(duì)誤差為4.3%，且隨著體積流量增大至1.2qV，二者間相對(duì)誤差驟減至0.94%，離心風(fēng)機(jī)在小體積流量工況下會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定的工作特性[14]，因此，小體積流量下用定常計(jì)算值來(lái)衡量離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能會(huì)造成一定誤差，而小體積流量下全壓的非定常計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值更貼近，整體趨勢(shì)上也與實(shí)驗(yàn)值更相符，兩者間的最大相對(duì)誤差只有1.79%。綜上，所采用的數(shù)值計(jì)算方法適用于離心風(fēng)機(jī)的模擬計(jì)算。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 仿生葉片對(duì)離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響

圖5給出了仿生離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。由圖5(a)可知，在小體積流量工況下，除鋸齒尾緣改型外，表面凹坑、波形前緣結(jié)構(gòu)均提升了離心風(fēng)機(jī)的全壓；設(shè)計(jì)工況下，表面凹坑型風(fēng)機(jī)全壓最高，高出原型56 Pa；在大體積流量工況下，波形前緣、表面凹坑結(jié)構(gòu)增大了離心風(fēng)機(jī)全壓，其中表面凹坑型風(fēng)機(jī)做功能力最強(qiáng)，全壓較原型最大增大140 Pa。在整個(gè)體積流量范圍內(nèi)，表面凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)離心風(fēng)機(jī)全壓增大效果最明顯，波形前緣型風(fēng)機(jī)全壓與原型相差不大但稍有提升(除設(shè)計(jì)工況外)，而鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)反而減小了離心風(fēng)機(jī)的做功能力。

(a) 仿生離心風(fēng)機(jī)全壓曲線(xiàn)

(b) 仿生離心風(fēng)機(jī)效率曲線(xiàn)

圖5(b)從效率角度對(duì)比了4種仿真離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。隨著體積流量的增大，效率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，不同的是，原型與鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)在qV下效率達(dá)到峰值，而表面凹坑型和波形前緣型風(fēng)機(jī)卻在1.1qV下效率最高。其中，4種離心風(fēng)機(jī)效率峰值最高的是表面凹坑型，比原型高出6.6%。小體積流量工況下，鋸齒尾緣和表面凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)離心風(fēng)機(jī)效率有積極的影響，但當(dāng)離心風(fēng)機(jī)運(yùn)行在大體積流量工況下時(shí)，這2種改型風(fēng)機(jī)效率卻急速下降，而另外2種改型風(fēng)機(jī)效率降低緩慢。

綜上，仿生結(jié)構(gòu)對(duì)離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響有利有弊，這與仿生結(jié)構(gòu)本身作用下的離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)變化有關(guān)。鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)做功能力下降但效率不降，其原因是葉片尾緣切成鋸齒狀，減小了葉片的有效做功面積；波形前緣型風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能與原型相差不大；表面凹坑型風(fēng)機(jī)在全流量工況下的全壓和效率始終高于原型，拓寬了離心風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，故將該仿生結(jié)構(gòu)應(yīng)用于離心風(fēng)機(jī)時(shí)的氣動(dòng)性能最優(yōu)。

2.2 仿生離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)分析

為揭示仿生離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律及流動(dòng)誘導(dǎo)下的氣動(dòng)噪聲輻射特點(diǎn)，筆者分析了設(shè)計(jì)體積流量工況下4種離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)和輻射聲場(chǎng)。

圖6和圖7給出了定常計(jì)算結(jié)果，由于該位置靠近輪蓋，流體剛由靜部件流入動(dòng)部件，故在葉片吸力面上易產(chǎn)生流動(dòng)分離，分離流堵塞流道，使葉輪通流能力下降。如圖6(e)所示，分離渦在尾緣附近脫落，阻塞作用下氣體未能從出口完全排出，在葉片前后表面間的壓差作用下，上游尾跡流經(jīng)下游流道出口，引起下游流動(dòng)分離。

鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)流線(xiàn)、湍動(dòng)能分布與原型風(fēng)機(jī)近似，分離區(qū)均位于渦舌前，流動(dòng)狀況的輕微改善使此工況下改型風(fēng)機(jī)效率略高于原型；波形前緣型風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)更多流道發(fā)生分離現(xiàn)象，與原型相比分離區(qū)分布更廣且跨過(guò)渦舌，這些位置對(duì)應(yīng)于圖7中的高湍動(dòng)能區(qū)，大范圍邊界層分離、回流、分離流與主流摻混等過(guò)程消耗了部分軸功，使離心風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能下降；表面凹坑型風(fēng)機(jī)葉輪內(nèi)分離區(qū)主要集中在渦舌后的流道，不存在漩渦占據(jù)整個(gè)流道的堵塞現(xiàn)象，葉輪通流能力增強(qiáng)，高湍動(dòng)能區(qū)減少，流動(dòng)穩(wěn)定性增強(qiáng)，因此離心風(fēng)機(jī)的全壓和效率得到提升。

圖8比較了4種離心風(fēng)機(jī)瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，Q準(zhǔn)則通過(guò)定義渦核等值面來(lái)反映葉輪內(nèi)的三維渦分布。原型風(fēng)機(jī)葉片吸力面上附著了大量渦結(jié)構(gòu)，這些渦在流道內(nèi)沿流向生成、發(fā)展和脫落。3種仿生手段皆減小了葉輪內(nèi)的渦尺度，其中效果最佳的是表面凹坑型風(fēng)機(jī)，除葉片壓力面貼附一層薄薄的渦核外，流道內(nèi)只分布著零星的點(diǎn)狀小渦；其次是鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)，大渦被破碎成小渦，稀疏地散落在流道中；波形前緣結(jié)構(gòu)是對(duì)葉輪內(nèi)渦結(jié)構(gòu)改善最不明顯的仿生手段，相較原型只有部分流道得到調(diào)整。

(a) 原型

(b) 鋸齒尾緣

(d) 表面凹坑

(e) 改型風(fēng)機(jī)局部流道壓力-流線(xiàn)分布(波形前緣)

(a) 原型

(b) 鋸齒尾緣

(c) 波形前緣

(d) 表面凹坑

(a) 原型

(b) 鋸齒尾緣

(c) 波形前緣

(d) 表面凹坑

在低馬赫數(shù)下，可認(rèn)為流動(dòng)誘導(dǎo)噪聲主要來(lái)源于渦[15]，由Powell渦聲方程可知，渦量減小有利于降低低頻下的流噪聲，但大渦破碎成的小渦會(huì)在高頻段增加噪聲的貢獻(xiàn)量。因此，各改型葉輪內(nèi)渦核結(jié)構(gòu)的調(diào)整將會(huì)削弱仿生離心風(fēng)機(jī)輻射噪聲的能力。

蝸殼作為主要聲源面之一，需要考慮其內(nèi)部流動(dòng)。圖9給出了蝸殼近壁處6個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力脈動(dòng)分布，每條曲線(xiàn)的脈動(dòng)峰值及其對(duì)應(yīng)頻率在圖中左上角給出。壓力脈動(dòng)主要貢獻(xiàn)頻率是1 000 Hz以下的低頻段，由于所研究的原型風(fēng)機(jī)渦舌與葉輪間隙較大，脈動(dòng)主導(dǎo)頻率不再是葉頻(918 Hz)，而是由離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部低頻湍流信號(hào)引起的低頻脈動(dòng)，具體表現(xiàn)為4種風(fēng)機(jī)壓力脈動(dòng)曲線(xiàn)主頻皆小于150 Hz。靠近渦舌位置處(測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2)，壓力脈動(dòng)峰值除受低頻信號(hào)影響外，還受軸頻(48.3 Hz)及其倍頻的影響。

由圖9還可以發(fā)現(xiàn)，仿生離心風(fēng)機(jī)在各測(cè)點(diǎn)上的脈動(dòng)峰值頻率與原型相比發(fā)生了偏移，而壓力脈動(dòng)主頻對(duì)應(yīng)于流場(chǎng)中的渦脫落頻率，說(shuō)明仿生結(jié)構(gòu)改變了原型風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)，這一點(diǎn)在圖8中得到驗(yàn)證。從整體上看，鋸齒尾緣型、波形前緣型風(fēng)機(jī)對(duì)壓力脈動(dòng)的控制較好，表面凹坑型風(fēng)機(jī)在下游位置(測(cè)點(diǎn)4～測(cè)點(diǎn)6)具有抑制壓力脈動(dòng)的效果，但在渦舌附近(測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3)反而增大了壓力脈動(dòng)，這可能是改型葉輪出口與蝸殼間的不匹配造成的，不穩(wěn)定流動(dòng)增強(qiáng)了湍流與壁面的相互作用，從而使壓力脈動(dòng)增大。

(a) 測(cè)點(diǎn)1

(b) 測(cè)點(diǎn)2

(c) 測(cè)點(diǎn)3

(d) 測(cè)點(diǎn)4

(e) 測(cè)點(diǎn)5

(d) 測(cè)點(diǎn)6

6個(gè)測(cè)點(diǎn)中，原型風(fēng)機(jī)最大壓力脈動(dòng)峰值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)5(27.2 Pa)，而鋸齒尾緣型、波形前緣型、表面凹坑型風(fēng)機(jī)最大壓力脈動(dòng)峰值分別出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)4(22.33 Pa)、測(cè)點(diǎn)6(18.55 Pa)和測(cè)點(diǎn)1(34.37 Pa)處。根據(jù)Lockard[16]和Casalino等[17]的研究結(jié)果：低馬赫數(shù)下，流噪聲主要呈偶極子特性，當(dāng)偶極子源主導(dǎo)噪聲時(shí)，壓力脈動(dòng)的削弱可降低偶極子聲源。故可進(jìn)一步推測(cè)鋸齒尾緣型和波形前緣型風(fēng)機(jī)具有一定的降噪效果。

2.3 仿生離心風(fēng)機(jī)的聲場(chǎng)分析

為研究仿生離心風(fēng)機(jī)的聲輻射特性，在位于葉輪出口50%葉高處的橫截面上，距葉輪中心半徑為1 m的環(huán)形一周共布置了24個(gè)聲學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)(每隔15°布置1個(gè))，各測(cè)點(diǎn)位置如圖10所示。首先通過(guò)求解非定常流動(dòng)控制方程得到離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)數(shù)值解和聲源壓力信息；然后采用FW-H方法計(jì)算聲源向遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的噪聲，即獲得各測(cè)點(diǎn)上的聲壓級(jí)。

圖10 聲場(chǎng)測(cè)點(diǎn)位置分布

設(shè)計(jì)工況下的仿生離心風(fēng)機(jī)聲學(xué)對(duì)比如圖11所示。仿生離心風(fēng)機(jī)降噪效果對(duì)比如表1所示。4種仿生離心風(fēng)機(jī)的聲學(xué)指向性分布呈“多瓣”狀，表面凹坑型、鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)在各接收點(diǎn)的總聲壓級(jí)均低于原型，其中降噪效果最好的是鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)，最大降噪量可達(dá)6.950 dB，平均降噪5.04 dB；波形前緣型風(fēng)機(jī)降噪效果次之，平均降噪3.14 dB；表面凹坑型風(fēng)機(jī)在大部分測(cè)點(diǎn)處總聲壓級(jí)略高于原型，噪聲均值增大了0.85 dB。原型、表面凹坑型風(fēng)機(jī)最大噪聲接收點(diǎn)為d5，而鋸齒尾緣型、波形前緣型風(fēng)機(jī)則在d1測(cè)點(diǎn)處總聲壓級(jí)最大，4種風(fēng)機(jī)均在c4測(cè)點(diǎn)處接收到的噪聲最小。

(a) 仿生離心風(fēng)機(jī)的聲學(xué)指向性分布

(b) 仿生離心風(fēng)機(jī)降噪效果比較

表1 仿生離心風(fēng)機(jī)降噪效果對(duì)比

為進(jìn)一步探究仿生離心風(fēng)機(jī)的聲場(chǎng)輻射規(guī)律，取離心風(fēng)機(jī)最大噪聲接收點(diǎn)d1、d5記錄的聲場(chǎng)信息做聲壓級(jí)頻譜圖。由圖12可知，在軸頻(48.3 Hz)處，原型、鋸齒尾緣型和波形前緣型風(fēng)機(jī)均出現(xiàn)了窄帶單峰噪聲，由于表面凹坑型風(fēng)機(jī)可明顯抑制葉輪流道內(nèi)的渦脫落結(jié)構(gòu)，故限制了離心風(fēng)機(jī)在低頻下的離散噪聲。3種仿生結(jié)構(gòu)在低頻段均會(huì)給離心風(fēng)機(jī)帶來(lái)降噪效果，其中表面凹坑型結(jié)構(gòu)的降噪效果最顯著，該型離心風(fēng)機(jī)總的降噪效果之所以不佳，是因?yàn)楦哳l段的湍流寬頻噪聲增大所導(dǎo)致的；波形前緣型風(fēng)機(jī)恰恰相反，高頻段的低噪聲貢獻(xiàn)量使離心風(fēng)機(jī)在d1、d5測(cè)點(diǎn)處擁有約3.4 dB的降噪量；鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)在整個(gè)頻域內(nèi)聲壓級(jí)都比原型低，所以最終表現(xiàn)出的聲學(xué)性能最佳。

(a) d1測(cè)點(diǎn)

(b) d5測(cè)點(diǎn)

3 結(jié) 論

(1) 表面凹坑結(jié)構(gòu)增大了離心風(fēng)機(jī)的全壓和效率；鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)雖然減小了離心風(fēng)機(jī)做功能力，卻依然使離心風(fēng)機(jī)在小體積流量工況下保持較高效率；波形前緣結(jié)構(gòu)對(duì)離心風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能略有提升，但與原型相差不大。

(2) 設(shè)計(jì)工況下，3種仿生結(jié)構(gòu)均可有效控制葉輪內(nèi)的渦尺度，效果最佳的是表面凹坑結(jié)構(gòu)，但此改型風(fēng)機(jī)會(huì)增大渦舌處的壓力脈動(dòng)幅值(高出原型7 Pa)，另外2種仿生離心風(fēng)機(jī)則抑制了蝸殼近壁處的壓力脈動(dòng)。渦量減小、壓力脈動(dòng)削弱有利于離心風(fēng)機(jī)對(duì)噪聲的控制。

(3) 設(shè)計(jì)工況下，波形前緣型、鋸齒尾緣型風(fēng)機(jī)的聲學(xué)性能均優(yōu)于原型，其中鋸齒尾緣結(jié)構(gòu)的降噪效果最明顯，平均降噪量達(dá)5.04 dB；表面凹坑型風(fēng)機(jī)雖然限制了軸頻處的窄帶單峰噪聲，但高頻段寬頻噪聲的貢獻(xiàn)量增大，使得離心風(fēng)機(jī)整體噪聲不降反增0.85 dB。