李芳環(huán)，趙小娟，陳愛平

（1.武昌工學院 智能制造學院，湖北 武漢 430065；2.綠色風機制造湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430065）

0 引言

風機作為通風換氣的重要設備，在家用電器、工廠及礦井等多領域得到應用。因而，風機的噪聲控制成為科學界關注的一個重點和熱點問題。隨著科學技術的不斷發(fā)展和進步，研究者從生物界獲得靈感，通過研究天空中靜音飛行的鳥類、水中游動的魚類，獲取有利于改善風機氣動性能和降噪的特征元素，從而控制風機的噪聲。本文綜述基于仿生學的風機降噪優(yōu)化設計，分析和總結(jié)各類仿生機構的降噪機理。

1 仿生信息提取

風機的仿生降噪優(yōu)化設計過程，首先是從生物界中選取生物在進化過程中形成的靜音飛行特征或者是利于流體流動的特征作為研究對象，對所選取的生物原型加以研究并數(shù)字化，將研究得到的相關資料除去不重要的因素進行簡化，保留有利于風機氣動性能研究和降噪方面的內(nèi)容，通常采用三維掃描或者逆向工程的方法獲取一個生物形態(tài)模型，然后構建具有生物形態(tài)的數(shù)學仿生模型[1]。在構建仿生模型的過程中，根據(jù)產(chǎn)品的尺寸，對生物形態(tài)的參數(shù)進行相似性等比放大或者縮小。

在研究風機的過程中，利用逆向工程的仿生大多用的是結(jié)構仿生和形態(tài)仿生[2-3]。王珂等[4]基于結(jié)構仿生，從離心風機的運動部件和靜止部件相互匹配的角度來設計離心風機，蝸舌采用基于長耳翼型前緣的仿生設計方法。劉陽等[5]受魚類游動姿態(tài)的啟發(fā)，為了改善離心風機的氣動性能，從形態(tài)仿生的角度，設計了一種仿s 型離心風機葉片。

2 基于仿生學的軸流風機降噪研究進展

王雷等[6]受靜音飛行代表長耳鸮翅膀翼型結(jié)構的啟發(fā)，提出了一種軸流風機的仿生葉片。該仿生葉片通過逆向工程提取40%截面處的長耳鸮翼型截面進行厚度方向的修型，在葉片尾緣處耦合了正弦型鋸齒結(jié)構。通過數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)葉片尾緣處的鋸齒結(jié)構能抑制葉片的湍流邊界層噪聲，對比原型風機和仿生耦合葉片風機，發(fā)現(xiàn)仿生耦合葉片風機在風量上提升4.69%，噪聲幅度下降2 dB。

劉剛等[7]借鑒機翼葉尖小翼結(jié)構，對軸流風機葉片頂部融合葉尖小翼結(jié)構。通過調(diào)整葉尖小翼外傾角為0°，10°，20°，30°，40°來分析葉尖小翼外傾角對風機氣動性能的影響。模擬結(jié)果得出，選擇合適的葉尖小翼可以有效地降低風機的噪聲，在外傾角為20°時，風機噪聲最小，而在外傾角繼續(xù)增加的時候，尤其當外傾角為40°時，風機噪聲與沒有增加葉尖小翼風機的噪聲一樣。

基于仿生學鋸齒機構，王紹興[8]針對DTF18#地鐵軸流風機進行研究，數(shù)值模擬設計了葉片翼頂前緣鋸齒結(jié)構、葉片尾緣鋸齒結(jié)構、翼頂前緣及葉片尾緣組合結(jié)構，通過計算分析，對所設計的風機進行了樣機制作，最終發(fā)現(xiàn)計算結(jié)果與實際測量結(jié)果基本吻合，驗證了翼型葉片鋸齒結(jié)構的降噪效果，其中，尾緣鋸齒結(jié)構和前后緣鋸齒結(jié)構的降噪效果最為明顯，分別是3.5 dB 和3.3 dB。

孫少明[9]等設計了仿鸮翼的非光滑前緣的仿生軸流風機葉片，通過試驗證明，仿生非光滑葉片相對原型風機葉片有明顯的降噪效果，影響降噪效果的因素中，非光滑單元間距為主要因素，其次分別是非光滑單元的高度和非光滑單元個數(shù)。

呂建民等[10]通過觀察和測量長耳鸮翼羽的層疊結(jié)構，在軸流風機葉片的三維建模中應用了鸮翼羽的條紋槽狀結(jié)構，并把風機葉片前緣做成正弦曲線狀結(jié)構，利用CNC 加工中心完成對葉片模型的加工，加工了1 個原型風機和9 種具有不同非光滑單元個數(shù)、不同非光滑槽深度、不同非光滑單元間距的仿生軸流風機葉片模型。實驗結(jié)果表明，非光滑單元個數(shù)為6、非光滑槽深度為1 mm、非光滑單元間距為30 mm 的試件為最優(yōu)模型，最大降噪值為1.6 dB，最大降噪率為2.61%。數(shù)值模擬分析了仿生葉片的降噪機理。

黃琪琪等[11]將仿生尾緣應用到以NACA65-010葉型通過加彎技術設計的小型軸流風機上，實驗采用了1 個原型風機和4 個葉片尾緣，20%～96.5%葉高處均布20 個鋸齒，鋸齒的齒高為5 mm，鋸齒的寬度為2.5 mm，鋸齒齒根部的傾斜角分別為20°，30°，40°和90°，模型在風洞上進行實驗，結(jié)果驗證了仿生鋸齒尾緣的降噪效果，且實驗得出鋸齒根部的傾斜角度為30°時的降噪效果最好，可以達到A 聲級降噪2.38 dB，鋸齒尾緣小流量風機在A 聲級上還可以最高降低1.87 dB。

葉學民等[12]分析了鋸齒尾緣的降噪性能，以OB-84 型動葉可調(diào)軸流風機為研究對象，采用切割的方法在動葉尾緣建立了3 個鋸齒尾緣寬度均為17，長度分別為14 mm、21 mm、28 mm 的A，B，C 三個風機葉片模型。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 個模型在中頻段的降噪效果最為明顯，而且降噪效果與鋸齒的長度正相關，因此A，B，C 三個模型中C 的降噪效果最好，最多可降低30 dB。

石磊等[13]通過數(shù)值模擬的方法驗證了NACA0018 翼型模型的降噪效果，發(fā)現(xiàn)前緣圓形鋸齒狀和后緣鋸齒狀組合結(jié)構的降噪效果比單純的前緣圓形鋸齒和后緣鋸齒降噪效果明顯。

3 基于仿生學的離心風機降噪研究進展

劉小民等[14]通過數(shù)值模擬的方法驗證了NACA0012 翼型和仿生翼型的降噪特性。熊仲營等[15]通過原型風機和仿生離心風機的模型對比，發(fā)現(xiàn)仿魚型葉片風機在風量上增大了36 m3·h-1，效率提高了5.65%，噪聲在監(jiān)測點處平均降噪2.78 dB，從而得出仿魚型葉片風機用于離心風機的優(yōu)化是有效的。

孫少明等[16]基于長耳鸮翼表面形態(tài)與構型特征，設計出了仿生降噪蝸舌。仿生降噪蝸舌設計重點考慮了仿生形態(tài)的個數(shù)、仿生形態(tài)的高度及仿生形態(tài)的間距這三個方面的因素，每個因素選取4 個水平。通過正交試驗的方法，對設計的16 個試樣進行研究。試驗結(jié)果表明，最優(yōu)的組合模型為仿生單元個數(shù)為4、單元高度為1.5 mm、單元間距為30 mm，可以達到降噪3.1 dB。在仿生形態(tài)的3 個影響因素中，仿生形態(tài)單元間距的影響最大，單元個數(shù)的影響最小。

王加浩等[17]從鯉科魚在逃生的時候身形從直線變?yōu)镃 型受到啟發(fā)，對草魚受到刺激后的C 型曲線做了研究，以該C 型曲線為葉片的中弧線，通過對比在葉片進口角5°～25°范圍內(nèi)變化時風機的噪聲和吸風量情況，得出葉片中弧線進口角為12.5°為最優(yōu)方案，然后以12.5°進口角設計了仿生耦合葉片。與原型風機相比，仿生耦合葉片風機在風量上增加了8.3%，降噪最大為1.1 dB。

鄔長樂等[18]通過數(shù)值模擬的方法研究了仿生葉片在離心風機上的應用。作者建立了3 種仿生模型，分別是葉片有波型前緣、葉片有鋸齒尾緣、葉片上有凹坑。將這3 種仿生模型與原型風機模型進行對比，發(fā)現(xiàn)葉片具有鋸齒尾緣的離心風機的降噪效果最明顯，平均降噪達到了5.04 dB；凹坑型風機模型對降噪沒有任何幫助，反而會使噪聲提升0.85 dB，但是凹坑型風機模型對于提升風機效率有明顯的作用。

黃恩德等[19]基于相似性原理，應用長耳鸮皮膚組織中的吸聲特征元素，在標本幾何尺寸上進行放大，設計了仿生蝸舌。仿生蝸舌主要包括微縫層、穿孔層及空腔3部分。試驗中制作了兩種仿生模型，一種是帶穿孔板的耦合吸聲結(jié)構蝸舌，另外一種是不帶穿孔板的耦合吸聲結(jié)構蝸舌。結(jié)果表明，在小流量情況下，兩種仿生蝸舌都可以降噪，但帶穿孔板的耦合仿生吸聲結(jié)構蝸舌的降噪效果最明顯，最大能降低2.5 dB，在設計點時，噪聲等級能降低0.5 dB；而在大流量情況下，降噪不明顯。降噪的機理是仿生降噪蝸舌可以改善蝸舌繞流附面層參數(shù)，使附面層分離推遲，噪聲得到有效控制。耦合仿生吸聲結(jié)構蝸舌在氣流從葉輪流過微縫時，一部分聲能轉(zhuǎn)化為與微縫摩擦引起的熱能，還有一部分氣流在微孔中發(fā)生共振，聲能被減弱。

劉小民等[20]采用逆向工程方法提取了蒼鷹翼降噪的特征元素，根據(jù)相似原則將蒼鷹翼的條紋結(jié)構和鋸齒結(jié)構縮小，建立了風機等厚度單圓弧葉片仿生結(jié)構模型，通過數(shù)值計算與分析，結(jié)果表明采用仿生尾緣可以改變各截面尾跡渦的脫落位置，增大渦間距離，減小脫落渦對尾跡流動的擾動，降低葉片表面的壓力脈動，最終使得尾跡渦引起的氣動噪聲顯著降低。

4 結(jié)語

本文綜述了仿生結(jié)構在風機降噪中的應用和相關研究?？傮w來說，風機降噪主要采用的是仿蒼鷹翼的各類鋸齒機構和仿魚體的各種形態(tài)。目前，仿蒼鷹翼的各類鋸齒機構在風機降噪中的研究相對比較成熟，而仿魚體的各種形態(tài)在風機降噪中的研究還處于初級階段。降低氣動噪聲的關鍵是考慮風機的運動部件葉片或者葉輪表面的壓力脈動以及風機出口渦流的分離。利用多元耦合仿生技術，從形態(tài)、結(jié)構到材料綜合考慮，在降低風機噪聲的同時更大程度地提高風機的性能，是未來研究的一個重要方向。