張桂艷

（貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州貴陽 551400）

1 軸流風(fēng)機(jī)當(dāng)前存在的噪聲問題

軸流風(fēng)機(jī)的噪聲包括氣動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲等，隨著時(shí)代發(fā)展和技術(shù)的迭代更新，氣動(dòng)噪聲成為當(dāng)前軸流風(fēng)機(jī)的主要噪聲。到現(xiàn)今為止，對(duì)小型軸流風(fēng)機(jī)流場(chǎng)和聲場(chǎng)的理論計(jì)算還沒有一個(gè)成熟的方法，隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和算法的改善，通過數(shù)值模擬來仿真軸流風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)這一方法已逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。文章主要采取數(shù)值模擬的方法來對(duì)小型軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析。

2 軸流風(fēng)機(jī)尺寸及模型建立

2.1 軸流風(fēng)機(jī)尺寸

軸流風(fēng)機(jī)仿真計(jì)算模型包括實(shí)體幾何模型的建立、仿真計(jì)算域的建立及網(wǎng)格模型的建立三部分內(nèi)容，其中每一環(huán)節(jié)都將影響到后續(xù)的仿真。所用到的軸流風(fēng)機(jī)主要由動(dòng)葉片、外框和靜葉片組成，其中外框和靜葉片連成一體。風(fēng)機(jī)長(zhǎng)寬高分別為80 mm、38 mm、80 mm。動(dòng)葉片數(shù)量為5葉，動(dòng)葉直徑為74 mm，輪轂直徑為43 mm，輪轂厚度為22 mm；靜葉片數(shù)量為3 葉，扇框內(nèi)徑86 mm，扇框還包括在入風(fēng)口處具有集流作用的倒角以及在出風(fēng)口處具有擴(kuò)壓作用的倒角。風(fēng)機(jī)使用電壓范圍在7～13.8 V 以內(nèi)，轉(zhuǎn)速8 400 r/min，產(chǎn)生風(fēng)量132 m3/h。

2.2 軸流風(fēng)機(jī)幾何模型建立

軸流風(fēng)機(jī)的動(dòng)葉片是風(fēng)機(jī)中最重要的部分，它的幾何參數(shù)包括葉片直徑、葉片安裝角、葉片彎掠角等的大小，均影響風(fēng)機(jī)的流量及噪聲的大小，所以，為保證建模精度，軸流風(fēng)機(jī)實(shí)體幾何模型的建立采用逆向工程的方法。

逆向建模工程可具體概括為三步：掃描儀采集數(shù)據(jù)、模型特征數(shù)據(jù)的識(shí)別和提取、利用建模軟件重建模型。掃描之前需要在風(fēng)機(jī)上均勻地噴涂白色的顯像劑，同時(shí)需要在風(fēng)機(jī)下方放入黑色的墊子增加對(duì)比度。此外，為了使風(fēng)機(jī)各個(gè)表面均掃描到，需要把風(fēng)機(jī)拆開，將動(dòng)葉片和扇框分開進(jìn)行掃描。

掃描完成后可得到軸流風(fēng)機(jī)曲面參數(shù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，由于實(shí)體模型表面粗糙度不同，掃描時(shí)隨機(jī)誤差等原因的存在，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可能完全與原模型相同，所以為了使后續(xù)CAD 模型重建可以方便、準(zhǔn)確的進(jìn)行，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

經(jīng)過預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)與實(shí)體模型的特征近乎一致，可以利用這些數(shù)據(jù)和邊界曲線通過算法來構(gòu)建曲面，從而擬合出風(fēng)機(jī)表面的曲面形狀。通過這種方式得到的風(fēng)機(jī)三維模型具有較高的修改能力，將曲面導(dǎo)入到建模軟件NX 中，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、邊界混合等一系列操作建立出軸流風(fēng)機(jī)的原始幾何模型。

3 軸流風(fēng)機(jī)仿真計(jì)算域建立

仿真時(shí)所用到的模型是軸流風(fēng)機(jī)內(nèi)部及周圍的空氣域，并不是風(fēng)機(jī)幾何模型，所以要建立仿真流體計(jì)算域。軸流風(fēng)機(jī)在工作時(shí)，動(dòng)葉片會(huì)繞軸旋轉(zhuǎn)，在仿真計(jì)算域建模時(shí)要考慮到旋轉(zhuǎn)計(jì)算域的建立。

對(duì)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)，需要給定確切的入口和出口邊界條件，此外為了減少回流，需要在風(fēng)機(jī)的入口和出口段延伸出一部分，以便于模擬出軸流風(fēng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)時(shí)外部氣體的流動(dòng)情況。風(fēng)機(jī)入口處的流動(dòng)還未經(jīng)過風(fēng)機(jī)做功，所以為平直的層流，而相反的出口處的流動(dòng)較為混亂，所以通常來說，入口長(zhǎng)度為風(fēng)機(jī)長(zhǎng)度的2～4倍，出口長(zhǎng)度為風(fēng)機(jī)長(zhǎng)度的8～10倍。

3.1 軸流風(fēng)機(jī)網(wǎng)格模型建立

在計(jì)算流體力學(xué)中需要用到離散化的數(shù)值方法。離散即將一個(gè)連續(xù)的物體劃分成一定數(shù)量的單元，這個(gè)單元即為網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分時(shí)工作量大，同時(shí)涉及到的問題很多，網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量會(huì)直接影響到之后計(jì)算的效率和精度，所以網(wǎng)格劃分是數(shù)值計(jì)算過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是網(wǎng)格劃分的兩種方法。簡(jiǎn)單來說，對(duì)于二維模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格只包含四邊形，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格包含三角形；對(duì)于三維模型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格只包含六面體，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格包含四面體，結(jié)合軸流風(fēng)機(jī)的模型特點(diǎn)，對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)計(jì)算域和扇框內(nèi)的靜計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而對(duì)形狀規(guī)則的入口計(jì)算域和出口計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上每一層的網(wǎng)格上都是均勻的且各層節(jié)點(diǎn)相等，這樣得到的網(wǎng)格數(shù)量少、精度較高，且結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)處理粘性問題效果較好，但是對(duì)于模型的適應(yīng)性較差。外形復(fù)雜的模型生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是比較困難的，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是均勻的，對(duì)復(fù)雜模型的處理較為靈活，但是劃分相同模型，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的數(shù)量要遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)化分網(wǎng)。目前來看，隨著計(jì)算方法的改進(jìn)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在計(jì)算過程中的結(jié)果相差越來越小。

3.2 數(shù)值模擬方法

3.2.1 求解器選擇

在Fluent 軟件中求解器分為兩類，密度基求解器和壓力基求解器。密度基求解器通常適用于高速可壓縮流體或者強(qiáng)耦合流動(dòng)；而不可壓縮的低速流體的計(jì)算通常使用專門針對(duì)這一問題的壓力基求解器來求解。區(qū)分流體的壓縮程度可以通過計(jì)算馬赫數(shù)（M）大小來表示，其關(guān)系式為：

式（1）中，v表示流體的速度；c表示聲音在空氣中的傳播速度，為340 m/s。當(dāng)馬赫數(shù)小于0.3時(shí)，可認(rèn)為流體是低速不可壓縮的；當(dāng)馬赫數(shù)超過0.3時(shí)，流體的可壓縮性便不可忽略；當(dāng)馬赫數(shù)超過0.8時(shí)，流體為亞音速可壓縮。

3.2.2 求解方法的選擇

常用的算法有SIMPLE 算法，SIMPLEC 算法和PISO 算法。SIMPLE 算法是預(yù)測(cè)-修正兩步算法；SIMPLEC 算法是對(duì)SIMPLE 算法的改進(jìn)，改變一些壓力修正項(xiàng)系數(shù)，可以加快計(jì)算的收斂，但收斂精度較低；PISO 算法是預(yù)測(cè)-修正-再修正，更加適用于瞬態(tài)的求解。穩(wěn)態(tài)選擇SIMPLE 算法，而瞬態(tài)選擇PISO 算法。

3.2.3 湍流模型的選擇

軸流風(fēng)機(jī)的仿真分為兩步仿真，穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)仿真和瞬態(tài)聲場(chǎng)仿真，兩次仿真均需選擇合適的湍流模型。穩(wěn)態(tài)仿真的湍流模型選擇雷諾平均模型中的RNGk-ε模型；為了配合聲場(chǎng)模擬的FW-H 方程，瞬態(tài)仿真的湍流模型則選擇大渦模擬方法。

3.2.4 聲源及氣動(dòng)噪聲模型的選擇

在聲源選擇時(shí)，F(xiàn)luent 不支持選擇兩個(gè)包含關(guān)系的聲源面，如扇框和動(dòng)葉片不可同時(shí)選擇，所以只選擇動(dòng)葉片作為數(shù)值仿真的聲源。氣動(dòng)噪聲模型選擇萊特希爾聲比擬方法，即開啟FW-H 方程來仿真。

3.2.5 動(dòng)靜域計(jì)算模型選擇

Fluent 中用于處理動(dòng)靜域模型的方法主要可分為單參考系模型、多參考系模型、滑移網(wǎng)格模型和動(dòng)網(wǎng)格模型等，其中前兩種適用于穩(wěn)態(tài)求解，后兩種適用于瞬態(tài)求解。單參考系模型用于單一的運(yùn)動(dòng)區(qū)域，參考系與運(yùn)動(dòng)區(qū)域相對(duì)靜止。本文的軸流風(fēng)機(jī)既包括旋轉(zhuǎn)域又包括靜止域，所以不能采用單參考系模型。多參考系模型是多域模型中最簡(jiǎn)便的方法之一，這種方法在旋轉(zhuǎn)域中采用相對(duì)坐標(biāo)系，在靜止域中采用絕對(duì)坐標(biāo)系，兩個(gè)域直接通過交界面（interface）來傳遞。此模型簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，對(duì)流動(dòng)的處理也較為可信。瞬態(tài)計(jì)算中滑移網(wǎng)格模型是在多參考系模型的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，原理與前者類似，所以瞬態(tài)的計(jì)算采用滑移網(wǎng)格模型。

3.2.6 邊界條件的選擇

風(fēng)機(jī)動(dòng)葉片壁面條件設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)壁面條件，并給定仿真需要的轉(zhuǎn)速。動(dòng)靜域的交界面根據(jù)上文所述的計(jì)算模型選擇為interface。入口邊界條件設(shè)定為壓力入口，總壓設(shè)置為0Pa，意為與外界大氣壓相同，入口湍流強(qiáng)度可根據(jù)公式計(jì)算：

式（2）中，Re 為流體的雷諾數(shù)，出口邊界條件設(shè)定為壓力出口，靜壓根據(jù)仿真需要設(shè)置。

3.2.7 時(shí)間步長(zhǎng)的選擇

在瞬態(tài)計(jì)算時(shí)，需要對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)定。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)都要保證計(jì)算收斂，減小時(shí)間步長(zhǎng)，計(jì)算仿真精度會(huì)提高，但是計(jì)算時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)；增大時(shí)間步長(zhǎng)，可能會(huì)出現(xiàn)庫朗數(shù)過大的情況而無法計(jì)算。在氣動(dòng)噪聲計(jì)算時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)t的選取與聲音的頻率相關(guān)，關(guān)系式如下：

式（3）中，f表示頻率，因?yàn)槿硕梢月牭降穆曇纛l率范圍在20～20 000 Hz 之間，所以將頻率設(shè)置為20 000 Hz，這樣Δt即為2.5×10-5s，此外還要保證每個(gè)時(shí)間步內(nèi)都收斂。

4 聲場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果分析及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真時(shí)以軸流風(fēng)機(jī)動(dòng)葉輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，風(fēng)機(jī)繞Z 軸旋轉(zhuǎn)，此外在風(fēng)機(jī)四周X 軸、Y 軸方向分別設(shè)置6個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中Z 軸正向的receiver5作為主要噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其他5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為參考，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與原點(diǎn)的距離都為1 m。

噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)大小，可根據(jù)公式：

噪聲的聲壓級(jí)值越大，聲音的強(qiáng)度越高，但是人耳對(duì)聲音的反應(yīng)不僅與強(qiáng)度大小有關(guān)，還與聲音的頻率相關(guān)。聲壓級(jí)相同而聲音頻率不同的噪聲人耳的反應(yīng)是不一樣的，通常來說人們對(duì)低頻噪聲不是特別敏感，而對(duì)高頻噪聲較為厭煩。所以除了噪聲的聲壓級(jí)，還要對(duì)噪聲的頻譜進(jìn)行關(guān)注，將仿真值經(jīng)過FFT 變換后，可得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲在各個(gè)頻率上的聲壓級(jí)大小。

軸流風(fēng)機(jī)的噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)依據(jù)國標(biāo)聲學(xué)聲壓法測(cè)定噪聲源聲功率級(jí)消音室和半消聲室精密法（GB/T6882-2008）和風(fēng)機(jī)和羅茨風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法（GB/T2888-2008）所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)時(shí)用麥克風(fēng)對(duì)噪聲進(jìn)行收聲，麥克風(fēng)的設(shè)置與上文receiver5噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置相同，即在Z 軸正向距動(dòng)葉片中心1 m 處。如圖1所示。

圖1 軸流風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)試結(jié)論

5 實(shí)施方案及措施

影響軸流風(fēng)機(jī)氣動(dòng)噪聲的因素很多，在利用仿真軟件求解時(shí)一般采用以下流程。

（1）物理問題抽象。這一步主要解決的問題是決定計(jì)算的目的.在對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行充分認(rèn)識(shí)后，確定要計(jì)算的物理量，同時(shí)決定計(jì)算過程中需要關(guān)注的細(xì)節(jié)問題。

（2）計(jì)算域確定：在決定計(jì)算內(nèi)容之后，緊接著要做的工作是確定計(jì)算空間，這部分工作主要體現(xiàn)在幾何建模上。

（3）劃分計(jì)算網(wǎng)格。當(dāng)確定計(jì)算域之后，則需要對(duì)計(jì)算域幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。生成網(wǎng)格的程序有很多，網(wǎng)格質(zhì)量直接影響計(jì)算精度，因此在生成網(wǎng)格之后，需要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量，另一個(gè)與網(wǎng)格相關(guān)的問題是邊界層網(wǎng)格劃分。在劃分邊界層網(wǎng)格時(shí)，需要根據(jù)外部流動(dòng)條件估算第一層網(wǎng)格與壁面間距，同時(shí)需要確定邊界厚度或邊界層層數(shù)。

（4）選擇物理模型。在第一步工作中確定了需要模擬的物理現(xiàn)象，在此需要選擇對(duì)應(yīng)的物理模型.若考慮傳熱，需要選擇能量模型；若考慮湍流，則需要選擇湍流模型；若考慮多項(xiàng)流，則需要選擇多相流模型等。

（5）確定邊界條件。確定計(jì)算域?qū)嶋H上是確定了邊界位置，在這一步工作中，需要確定邊界位置上物理量的分布，通常需要考慮邊界類型、物理量的指定。不同的邊界類型組合對(duì)于收斂性有著重要的影響，無論采用何種邊界組合，都要求邊界信息是物理真實(shí)的，一般要求試驗(yàn)獲取。

（6）設(shè)置求解參數(shù)。在上面的工作均進(jìn)行完之后，則需要設(shè)定求解參數(shù)，包括一些監(jiān)控物理量設(shè)定、收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定、求解精度控制等，若為瞬態(tài)計(jì)算，則可能還涉及自動(dòng)保存、動(dòng)畫設(shè)定等，不同的物理問題，需要設(shè)定的求解參數(shù)也存在差異。

6 結(jié)束語

采用計(jì)算流體力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)中的聲類比的方法對(duì)軸流風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)和聲場(chǎng)性能進(jìn)行計(jì)算分析，確定了風(fēng)機(jī)的建模方法，ICEM 網(wǎng)格劃分方法及Fluent 求解設(shè)置方法，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)中的壓力、速度等分布情況和風(fēng)機(jī)聲場(chǎng)中頻譜分布等問題進(jìn)行了深入研究。