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1、离心风机气动噪声研究方法的分析与建议Analysis and Suggestion on Research Methods of Aerodynamic Noise for Centrifugal Fan 黄曌宇 刘秋洪 祁大同 闻苏平 曹淑珍 西安交通大学流体机械研究所摘要：对目前离心风机气动噪声的研究方法进行了分析，总结出数值模拟及其计算方法还不完善。提出了离心风机蜗壳简化成一个具有硬边界的理想壳体模型的思路来开研究风机气动噪声。关键词：离心式通风机 气动噪声 研究方法中图分类号：TH432 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2005）01-0003-04Abstract: An
2、alysis is carried out on research methods of aerodynamic noise for centrifugal fan. Numerical simulation is summarized, and its calculating method is not perfect. The thinking of that centrifugal fan volute simplified an ideal casing model with hard boundary is put forward in order to research fan a
3、erodynamic noise.Keywords: Centrifugal fan Aerodynamic noise Research methods1 引言离心风机的噪声以气动噪声为主，在性质上可以分为离散噪声与宽带噪声。其气动噪声主要由气体与叶轮叶片以及蜗壳的相互作用产生，并通过进、出气通道加以传播。蜗壳内部的三维非稳定流场以及壳体的特殊形状使得对其开展研究变得困难。近年来，国内外专家如： Lowson、Wan-Ho Jeon等都针对离心风机噪声做了很多研究，在发声机理和声源传播、数值模拟、测试技术等方面都取得了不少突破，但仍有很多需要进一步改进和完善之处。本文综合了近年来国内外大量文
4、献的理论计算和试验研究方法，同时提出了新的建议。2 理论计算方法2.1 点源模型 对于风机而言，点源模型是一种十分有用的技术。这种近似的准则是，所要研究的最高频率的波长应该远大于声源的物理尺寸。为满足这个准则要求，对发射较高频率噪声的叶片，在应用点源模型时，可将每个相关面积或相关体积视为一个小尺寸的孤立声源，将风机叶片用沿着叶片展长分布的孤立点源的总和来模拟。目前有人研究了自由声场旋转点声源的声学特性；Lowson通过波动方程推导出了运动点源产生的声场公式，该公式适合于叶片上的每个微元体，然后对叶片上的所有微元求积分就可以求出叶片运动产生的声场。但拟定叶片微元的点源尺寸是一个难题，而且一般来说
5、风机叶片都不是直叶片，甚至在空间有很大扭曲，用点源模型进行模拟容易产生较大误差。另外，上述研究针对的是自由声场，而离心风机必须考虑蜗壳的影响。2.2 蜗舌的尖劈模拟 图1 离心风机叶轮和尖劈模型静止平板尾缘紊流边界层声发射的理论计算公式早已得出，但用于叶轮机械噪声还需进一步改进。陆桂林考虑了叶片旋转对声发射的影响，并结合有关试验资料，引入叶片几何参数的组合关系式，推导出了一个有个叶片的离心风机叶轮叶片尾缘紊流边界层声发射计算公式。这些都是在无蜗壳假定下噪声计算公式的推导。为了模拟有蜗壳存在的情况，Wan-Ho Jeon在叶轮附近放置一个尖劈模拟蜗舌，以它来作为产生离散噪声的声源,如图1所示。通
6、过此模型计算出流场，然后用非定常的伯努利方程计算出作用在叶片微元上所受的力， 最后利用Lowson导出的任意运动点源的声场公式计算声压 (1) (2)式中 运用该模型进行风机噪声的数值模拟可以得到很多有价值的数值计算结果，改变其中一些参数，如叶片数，叶轮旋转速度和叶轮与尖劈之间的间隙等来重新进行计算，并加以比较可以分析叶片通过频率噪声的影响因素，对离心风机的降噪有指导意义，尤其是对分析离散噪声的成因及其降噪方法有着比较重要的作用。但是它只能模拟风机的基频噪声，且仍没有考虑完整蜗壳的存在。2.3 基于宽频噪声的模拟声场气流方向声源区域宽频噪声也称作涡流噪声，它主要取决于对应的流场。至今尚未看到与
7、离心风机蜗壳内部完整流场所对应的声场解，所以涡流噪声很多都还是实验研究或者理论上的定性分析。从Lighthill方程和离心风机的具体边界条件出发可以得出基本方程 (3)式中 ，为源项 图2 噪声源模型然后基于数量级分析的基础上，做了一些简化,并将整个流场分成主流区和边界层区分别加以讨论。最后结合试验进行了分析，证明了定性分析的可行性。L.Mongeau针对离心风机的宽频噪声进行了建模，如图2所示，利用图示区域，Lighthill的求解理论可得出声压的波动方程 (4)然后利用傅立叶变换、量纲分析以及声学相似定律导出了以下关系式 (5)则声压谱密度的表达式为 (6)在得出关系式后利用试验研究可以分
8、析声压谱密度与各参数之间的相互关系。可以看出,利用该模型求解时，需要借助试验才能确定声压与各参数之间的具体关系，因此不能较好地从理论上直接解决离心风机的噪声问题。2.4 边界单元法计算边界单元法的计算例子较多，但都大同小异，这里重点举李继芳的算例加以说明，他运用Helmhotz积分方程得出了蜗壳表面速度分布与蜗壳表面声压的积分关系式 (7)式中，为自由场三维格林函数。通过该格林函数可以得到整个蜗壳向外辐射的声功率 (8)可以利用加速度传感器得到蜗壳表面的振动速度分布，然后通过公式计算出蜗壳表面的声压，或者可以通过风机进口或出口的声压计算进出口辐射的声功率，然后得到总的合成声功率。可以看出，该计
9、算方法可以计算蜗壳振动引起的噪声辐射，也可以计算通过进出口管道向外传递的噪声。但是在测量进出口的声压时，由于气流的影响，使测量受到较大的干扰，因此测定的声压不一定是真实值；另外，由于蜗壳表面各点振动极不均匀，不仅是垂直于表面振动，甚至随时间变化。测量时需要测量大量点的振动速度，工作量大，而且可靠性不高，因此该方法的应用也有局限性。2.5 蜗壳声电类比模型很早人们就提出了声电类比方法并计算出了离心风机的声共振频率，并用高阶模态分析方法分析了几个具有比亥姆霍兹共振频率更高的谱峰，用试验手段绘出了蜗壳内规范化的声压分布。后来黄其柏又在此基础上提出了蜗壳基频共振引起的噪声增量数学模型，最后推导出了在共
10、振频率处远场某点总噪声声压级增值为 (9)式中 和进出气口引起的噪声增量利用此式可以对远场某点总噪声声压级增值进行预测和优化。国内一些实验已经证实了蜗壳基频共振噪声在小流量工况下的重要性。 2.6 声学相似定律由国际标准化组织推荐的一系列确定噪声功率的标准，同样也适用于风机。试验各种不同型式和尺寸的风机需要大量试验设备和时间，而且费用昂贵。因此将相似定律应用于风机气动噪声，能大大降低成本。从而可以根据一种尺寸风机的试验资料，对尺寸不同而因次相似的风机系列进行声功率的计算。Weidemann对风机噪声作了无因次分析，且得到了无因次参数关系式 (10)式中，为适当的参考压力，对于离散噪声和随机噪声
11、的频谱噪声可有不同的定义。Weidemann用矩形尖劈模拟蜗舌时，对无蜗壳的离心叶轮进行了声辐射研究，得出 (11)式中各参数的意义详见相应文献。另外，考虑到风机中存在着某种声源，有，其相似关系为 （12）因此，换算因次相似的风机噪声频谱时，可用上面两个公式的任何一个，但是对于同一系列而尺寸不同的风机，常数，和函数，或，应分别对应相等。声学相似定律的应用也是需要预先知道某因次相似风机的实验资料才能进行声辐射计算，开展声学设计，它也不是单纯从理论上直接解决离心风机噪声问题。 3 试验研究方法3.1 进出口管道试验由于缺乏准确的理论数据，因此很多试验还是基于理论上的定性分析进行试验，一般都采取带有
12、消声器的进气或出气管道在进、出口进行噪声测量，再对试验结果进行频谱分析以判断噪声源和传播途径。在试验过程中通常都会先分别考虑轴向、径向进口间隙、蜗壳的扩张角和扩张长度以及蜗舌与叶轮间隙、蜗舌倾斜角、蜗舌半径和叶轮类型、叶片数目等参数，分别分析这些参数对离心风机噪声的影响,但是这样进行分析和试验的工作量太大，而且忽略了各个参数之间的相互影响。 3.2 离心风机机壳的声学优化机壳的型线对于离心风机气动噪声而言是极其重要的，如何得到优良的机壳型线是很多人都关注的问题。在目前的大多数研究中，仅是通过修改机壳蜗舌区域来降低基频强度。Hille-brand等改变整个蜗舌形状来找寻关于产生噪声的最优设计。作
13、为一种试验工具，Rechenberg采用了植物与动物的生物进化原理提出了一种试验程序。采用了P1到P10这10个变量（在各种角向位置时蜗舌壁面离转子轴的距离）来描述蜗舌。通过变量P1到P10的随机变动产生一组9个后代量，9个后代量的最优者形成故的“上代”，从这个“上代”通过变量的随机变化再次繁殖出第2代，依次下去，便得到最佳型线。但是该试验程序只考虑到了蜗壳自身参数的影响，而忽略了叶轮的结构参数。3.3 离心风机结构的优化试验方法大量的试验是在保证其他参数不变的前提下，只改变某一个参数进行试验得出其优化结构参数，从而忽略了各个参数之间的相关性，因此利用优化试验方法：正交回归试验设计方法、D最优
14、回归设计方法等就很有必要了。一些文献中已通过不同实例计算出了风机声压级与一系列参数之间的回归函数关系式，并采用了优化方法进行了计算。其基本思想是在选择离心风机结构参数时，考虑到各个参数之间的相关性，在实际应用中利用优化回归方法，通过试验得到一系列数据进行目标函数（噪声值）的非线性回归，得到一个非线性方程后进行优化设计。例如可将声压级针对8个参数进行3次回归设计得出其关系式 （13）然后采用逐步回归分析法逐个引入变量，进行因子筛选。每引入一个新的变量都对前面的变量进行显著性检验，保留其中对影响显著的变量，剔除对影响不显著的变量，从而可以得到一个最优回归方程，该方程中包含所有对影响显著的变量。这种
15、优化手段用较少的试验就可以得出比较满意的结果，但是它不能够得到各个噪声源对接受者的贡献。3.4 相干分析技术图3 噪声传递系统为了弥补上述缺陷，相干分析技术也随着计算机的发展而开展了。在噪声源的识别中，经常遇到的情况是所感受到的噪声系来自多个噪声源，通过相干分析，就可以知道每个声源各自对接受者的影响，这一技术已在国内应用。国内外一些文献已利用相干分析技术分析了离心风机噪声的噪声源特性及其产生机理。其基本理论是基于将噪声传递系统视为一个多输入、单输出的系统，系统中各个输入源之间互不相干，如图3所示。 3.5 计算机指导试验由于试验设备繁重，工作量大，处理数据繁琐，因此利用电脑监控试验和试验数据的
16、采集和处理是必不可少的，现在可以用微机进行数字化动静态测试分析。虚拟仪器（简称）和卡泰仪器（简称）技术发展相当迅速，虚拟仪器被称为是振动、噪声动力学控制技术的革命。(大世普)软件虚拟仪器库具有国际先进水平的大容量数据采集与信号处理软件系统，其功能强大,用途广泛，可用于进行振动、冲击、噪声、信号和信息处理、计算机辅助测试()、模态分析、结构动力学修改、故障诊断与桩基检测、环境振动与噪声测试等诸多分析测试工作。只是到目前为止，虚拟仪器在风机行业中应用还很少，如果能广泛应用，将会使离心风机的试验测试、数据采集与分析进入一个全新的阶段。4 讨论图4 理想壳体模型 (1)对于离心风机气动噪声而言，数值模
17、拟及其计算方法还不成熟，不能得出计算离心风机气动噪声的理论公式，有的即使得到了声压与各参数之间联系，还需要借助试验来确定具体关系式，显然这些方法只限于对已有风机进行计算，而不能在对新风机进行气动设计的同时进行声学设计。因此考虑蜗壳的离心风机的噪声模拟及计算是需要解决的问题。因此，我们的建议是：可以把离心风机蜗壳简化成一个具有硬边界的理想壳体模型，如图4所示。并暂时忽略进出口软边界的影响，推导出壳体内的格林函数，而后将此格林函数推广到考虑进出口软边界的情况，然后利用该函数对离心风机内部由旋转叶轮产生的气动声场进行时 域求解便可以得到理论解方程。在计算出离心风机内部的三维非稳定流场之后，利用该模型
18、和理论解方程就可求出与流场相对应的气动声场，这样就可以弥补其他计算模拟方法的不足，正在进行这方面的理论和计算工作，同时也为同行们进行离心风机气动噪声计算提供参考。目前，已经得到了忽略进出口软边界的蜗壳体内的格林函数 （14）根据此格林函数求得了蜗壳内部声场的时域解 （15） 但是由于忽略了蜗壳进出口软边界的影响，这个公式与实际情况还有较大差距，因此还有必要对此进行深入研究，以得到有进出口软边界时蜗壳内部的格林函数并进行时域求解。 (2)随着计算机的飞速发展，噪声试验测试技术发展比较迅速，一些先进的试验手段已经应用于风机上，但还是不够；在其他行业，虚拟仪器的使用和仿真试验已大大减少了人力、物力，使得很多难以进行的试验变得容易开展，建议应使这些先进的试验手段应尽快应用于风机气动噪声行业并不断开发拓展其应用范围。5