陳 波,李家春*,何俊杰,徐 嬌,王永濤

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025;2.貴州省水利科學(xué)研究院,貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引 言

離心風(fēng)機(jī)是依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng),提高氣體壓力后輸出氣體的機(jī)械。因?yàn)樗淖兞丝諝饬鲃?dòng)的方向,因此被廣泛用于廚房家電排放油煙,建筑物通風(fēng)、除塵,工廠、鍋爐的通風(fēng)、引風(fēng)等場(chǎng)合。

離心風(fēng)機(jī)主要包含蝸殼、葉輪等部件。其結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但是在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較高的氣動(dòng)噪聲。

隨著離心風(fēng)機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合越來(lái)越廣泛,人們對(duì)離心風(fēng)機(jī)的聲學(xué)性能也提出了更高的要求。葉輪是風(fēng)機(jī)中唯一的旋轉(zhuǎn)部件,它影響風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)和聲學(xué)性能,因此,越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉輪噪聲來(lái)源和降噪技術(shù)展開了研究。

周建華[1]用絲線法對(duì)前向多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了可視化研究,結(jié)果表明,在葉片出口吸力面?zhèn)葰饬鳒u旋脫落明顯,是引起離心風(fēng)機(jī)噪聲的主要原因。WU S F等人[2-4]的研究結(jié)果表明,離心風(fēng)機(jī)的噪聲主要來(lái)源于葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣流與蝸殼壁面摩擦引起的旋轉(zhuǎn)噪聲。王加浩等人[5,6]受鯉科魚C型啟動(dòng)啟發(fā),設(shè)計(jì)了多翼離心風(fēng)機(jī)仿生等厚葉片,可視化研究結(jié)果表明,仿生葉片尾緣脫落渦旋造成的氣流不均勻性程度減弱,風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能增加,噪聲減小。赫英歧等人[7,8]探究了不同葉輪扭曲度對(duì)多翼離心風(fēng)機(jī)內(nèi)流及聲學(xué)特性的影響,結(jié)果表明,扭曲葉輪會(huì)略微降低風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能;但葉輪葉尖渦流減弱,降低了渦流噪聲。焦碩博等人[9]對(duì)比了傾斜葉片和直葉片葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響,發(fā)現(xiàn)傾斜葉片會(huì)輕微降低風(fēng)機(jī)流量;但是,傾斜葉片能減少葉道中的流動(dòng)分離,從而減小風(fēng)機(jī)噪聲。LI Chun-xi等人[8]對(duì)比了原始葉輪和葉輪出口直徑,分別增加5%和10%的兩個(gè)較大葉輪的風(fēng)機(jī),通過(guò)數(shù)值模擬表明,葉輪較大的風(fēng)機(jī)存在較多的蝸殼損失。黃進(jìn)安等人[9]將葉片完全貫穿設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)設(shè)置合理葉片穿孔參數(shù),降低了葉片表面的壓力脈動(dòng)。鄧敬亮等人[10]對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)葉片中的弧線進(jìn)行了優(yōu)化,使得氣流在蝸殼內(nèi)的流動(dòng)分離降低,減少了因氣流紊亂造成的噪聲。王夢(mèng)豪等人[11]采用數(shù)值仿真方法,研究了仿鸮翼葉片對(duì)離心風(fēng)機(jī)噪聲的影響。

上述學(xué)者研究結(jié)果表明:風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的渦旋是噪聲主要來(lái)源,采用仿生設(shè)計(jì)和改變?nèi)~片形狀的方法能有效降低噪聲;但上述學(xué)者未對(duì)葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接處理,未能找到高效降低葉片旋轉(zhuǎn)噪聲的方法。

穿孔板是一種共振吸聲結(jié)構(gòu)。當(dāng)聲波傳播到小孔時(shí),一部分在小孔表面摩擦損耗,另一部分進(jìn)入小孔的聲波頻率與薄板一致時(shí)會(huì)引起薄板共振,從而被吸收。

伍宗效等人[12]對(duì)風(fēng)洞導(dǎo)流片穿孔并填充材料,使得風(fēng)洞內(nèi)氣流渦旋削弱,減少了氣動(dòng)噪聲。WANG Chen等人[13]在蝸殼上鋪設(shè)消聲材料,抑制了低頻范圍內(nèi)的輻射噪聲。付強(qiáng)[14]研究了穿孔板與多孔材料組合對(duì)噪學(xué)特性的影響,結(jié)果表明,穿孔板和多孔材料組合能夠降低低頻和中高頻噪聲。

基于以上原因,筆者采用FLUENT數(shù)值仿真方法探究離心風(fēng)機(jī)葉片迎風(fēng)面穿孔對(duì)噪聲的影響。首先,對(duì)比葉片不同穿孔形狀、穿孔直徑和穿孔率的降噪效果,獲取最佳穿孔參數(shù);然后,在葉片內(nèi)部填充吸聲材料,以期進(jìn)一步降低噪聲;最后,對(duì)葉片不同穿孔結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

筆者希望所得結(jié)論可為離心風(fēng)機(jī)降噪技術(shù)提供參考。

1 氣動(dòng)聲學(xué)設(shè)置

1.1 模型設(shè)計(jì)

筆者以雙圓弧型葉片離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象。

離心風(fēng)機(jī)尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 離心風(fēng)機(jī)具體參數(shù)

筆者使用三維建模軟件SOLIDWORKS建立多翼離心風(fēng)機(jī)模型,如圖1所示。

圖1 離心風(fēng)機(jī)三維模型

圖1中,葉輪葉片為雙圓弧形,內(nèi)部空心。

為減少模型無(wú)關(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)計(jì)算資源的浪費(fèi),筆者對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化,同時(shí)延長(zhǎng)了模型進(jìn)出風(fēng)區(qū)域,避免氣流回流對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。

為探究穿孔和填充多孔介質(zhì)材料對(duì)離心風(fēng)機(jī)聲學(xué)性能的影響,筆者對(duì)葉片迎風(fēng)面板進(jìn)行小孔貫穿,為避免負(fù)壓將內(nèi)部的多孔材料吸出,背風(fēng)面板不穿孔。

穿孔板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 穿孔板結(jié)構(gòu)

筆者進(jìn)行圓形、矩形、三角形形狀切割。

為控制變量,筆者設(shè)置孔邊距為x1、y1,孔間距為x2、y2,不同穿孔時(shí)的孔邊距x1、y1和孔間距x2、y2保持一致。筆者在切割時(shí),設(shè)置圓孔直徑為1.5 mm,穿孔面積為S,調(diào)整矩形和三角形的邊長(zhǎng)l,保證各切割形狀的面積S一致。

葉片穿孔結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

圖3 葉片穿孔結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)三維模型抽取內(nèi)部流體計(jì)算域如圖4所示。

圖4 流體計(jì)算域

筆者分別對(duì)上訴幾何模型使用FLUENT進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為保證網(wǎng)格劃分質(zhì)量,將模型分為旋轉(zhuǎn)域和靜止域兩個(gè)部分。其中,旋轉(zhuǎn)域包含葉輪所在區(qū)域,靜止域包括進(jìn)氣管和蝸殼。

由于葉片上有微小穿孔,為保證網(wǎng)格質(zhì)量,筆者需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化。

葉片內(nèi)部網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 葉片間網(wǎng)格質(zhì)量

由圖5可知:葉片內(nèi)部網(wǎng)格均勻變化,檢查網(wǎng)格質(zhì)量(element quality)為0.76,正交比(aspect ratio)為2.84,傾斜度(skewness)為0.21,說(shuō)明網(wǎng)格質(zhì)量良好。

筆者對(duì)靜止域和旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格進(jìn)行單獨(dú)劃分,設(shè)置旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格大小為2 mm,并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行鄰近性和曲率捕獲。靜止域網(wǎng)格在數(shù)值模擬中不需要太精細(xì)。

筆者對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性檢查,在保持其他條件不變的情況下,成比例地改變網(wǎng)格數(shù)量,并觀察不同網(wǎng)格數(shù)量下的仿真結(jié)果。通常認(rèn)為仿真結(jié)果的誤差在5%～10%之間,網(wǎng)格對(duì)結(jié)果的影響在可接受的范圍內(nèi)。

為節(jié)約計(jì)算資源,筆者取中等網(wǎng)格數(shù)量,因此設(shè)置靜止域網(wǎng)格大小為4 mm。原始模型網(wǎng)格數(shù)量為5 328 620,矩形穿孔葉片、圓形穿孔葉片、三角穿孔葉片網(wǎng)格數(shù)量分別為11 935 842、12 320 432、11 905 996。

網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 聲學(xué)控制方法

FW-H方程本質(zhì)上是非齊次波動(dòng)方程,可以由連續(xù)性方程、運(yùn)動(dòng)方程和物態(tài)方程進(jìn)行推導(dǎo)。

1)連續(xù)性方程

方程表達(dá)式為:

(1)

式中:ρ(r,t)為氣流密度;t為時(shí)間;ρ0為空氣靜態(tài)密度;v(r,t)為氣流質(zhì)點(diǎn)速度;ρ0q(r,t)為流過(guò)葉輪葉片的氣流質(zhì)量。

2)運(yùn)動(dòng)方程

方程表達(dá)式為:

(2)

式中:grad為梯度算子。

3)物態(tài)方程

方程表達(dá)式為:

(3)

式中:c為縱波傳播速度。

由式(1)～式(3)導(dǎo)出聲波的波動(dòng)方程如下:

(4)

1.4 求解設(shè)置

此處筆者采用基于壓力法的求解器,并使用瞬態(tài)控制。由于離心風(fēng)機(jī)為旋轉(zhuǎn)流動(dòng)模型,因此湍流計(jì)算模型選用k-epsilon中的Realizable模型;設(shè)置葉輪所在旋轉(zhuǎn)域?yàn)镸esh Motion,轉(zhuǎn)速為3 000 r/s。

筆者設(shè)置進(jìn)出口邊界條件為壓力進(jìn)出口邊界,進(jìn)出口表壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;同時(shí)將葉片所在的壁面設(shè)置為Moving wall(rotational),將靜止域壁面均設(shè)置為wall,并采用interface邊界條件連接旋轉(zhuǎn)域和靜止域的相交面。

筆者在FLUENT計(jì)算模型庫(kù)中啟用聲學(xué)FW-H模型,定義聲源區(qū)域?yàn)槿~輪旋轉(zhuǎn)域和蝸殼壁面。

根據(jù)GB/T 2888—2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》,當(dāng)測(cè)量風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口噪聲時(shí),若葉輪直徑小于1 m,取測(cè)量直徑為1 m;若葉輪直徑大于1 m,則取測(cè)量直徑為葉輪直徑。由于筆者所選風(fēng)機(jī)葉輪直徑為0.15 m,故取測(cè)量直徑為1 m。

噪聲檢測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖7所示。

圖7 噪聲檢測(cè)點(diǎn)布置示意圖

筆者在圖7點(diǎn)A所示區(qū)域建立1個(gè)檢測(cè)點(diǎn),用于檢測(cè)噪聲。

筆者采用SIMPLEC算法作為計(jì)算方法,設(shè)置迭代計(jì)算的物理量殘差為0.000 01,迭代次數(shù)為2 000步,最大循環(huán)迭代次數(shù)為10次,由式(5)計(jì)算出時(shí)間步長(zhǎng)為4.615×10-3s,葉輪旋轉(zhuǎn)9圈。

當(dāng)?shù)€呈周期性波動(dòng)時(shí),通常認(rèn)為離心風(fēng)機(jī)流場(chǎng)基本實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定流動(dòng),說(shuō)明迭代已經(jīng)達(dá)到收斂狀態(tài)。

時(shí)間步長(zhǎng)表達(dá)式如下:

(5)

式中:n為葉片的數(shù)量;w為葉輪的轉(zhuǎn)速;l為最大循環(huán)迭代次數(shù)。

2 葉片穿孔聲學(xué)特性分析

2.1 葉片不同穿孔形狀

離心風(fēng)機(jī)葉片不同穿孔形狀的聲壓頻譜圖如圖8所示。

圖8 葉片不同穿孔形狀

由圖8可知:系統(tǒng)噪聲整體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著頻率的升高而不斷降低,低頻段(0 Hz～2 000 Hz)噪聲降低速度較快,在中頻段(2 000 Hz～3 000 Hz)和高頻段(3 000 Hz～5 000 Hz)噪聲降低速度逐漸緩慢,并伴隨有局部噪聲增加現(xiàn)象。

對(duì)比圖8中不同穿孔形狀葉片的噪聲隨頻率的變化可以看出:在低頻段時(shí),不同穿孔形狀對(duì)噪聲的影響很小,與未穿孔時(shí)基本重合,隨著頻率的上升,則呈現(xiàn)出不同變化。其中,穿孔葉片在整個(gè)頻率范圍內(nèi),除局部頻率段外,其噪聲值均低于原始葉片的噪聲值,說(shuō)明葉片穿孔對(duì)降低離心風(fēng)機(jī)的噪聲有著積極的作用,能有效破碎葉片間的渦旋,進(jìn)而降低噪聲。而穿孔葉片的降噪效果隨著穿孔形狀的不同而表現(xiàn)不同。

降噪效果按從好到差依次為圓形穿孔葉片、矩形穿孔葉片、三角穿孔葉片、原始葉片。噪聲平均值為117.81 dB、119.52 dB、119.77 dB、122.63 dB。綜上,采用圓形穿孔葉片可有效降低噪聲,平均降低噪聲4.82 dB,降噪效果提升4%。

葉片不同穿孔形狀壓力云圖如圖9所示。

圖9 葉片不同穿孔形狀壓力云圖

由圖9可知:不同穿孔形狀的葉輪壓力分布總體類似,均在葉輪中心產(chǎn)生負(fù)壓,其余位置隨著葉輪轉(zhuǎn)動(dòng),壓力逐漸增大。但原始葉片在葉輪上端和葉輪下端均出現(xiàn)壓力集中,且葉輪中心壓力集中區(qū)域較大。

而矩形穿孔葉片雖然減小了葉輪中心的壓力集中區(qū)域,消除了葉輪下端的壓力集中,但使葉輪上端出現(xiàn)了更為顯著的壓力集中,導(dǎo)致負(fù)壓性能提升僅為1.2%;圓形穿孔葉片的葉輪中心壓力分布均勻,整個(gè)葉輪區(qū)域無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域,減小了壓力損失,負(fù)壓性能提升了40.5%;三角穿孔葉片在葉輪中心仍有明顯應(yīng)力集中,甚至在蝸舌處產(chǎn)生了應(yīng)力集中,導(dǎo)致負(fù)壓性能沒(méi)有提升。

葉片不同穿孔形狀壓力和速度變化如表2所示。

表2 葉片不同穿孔形狀壓力和速度變化表

葉片不同穿孔形狀流動(dòng)跡線如圖10所示。

圖10 葉片不同穿孔形狀流動(dòng)跡線

由表2和圖10可知:原始葉片在葉輪下方產(chǎn)生了大尺度尾緣脫落渦,葉片壓力面與吸力面之間形成了較多葉間回流渦,導(dǎo)致負(fù)壓性能變差、氣流速度較低;

矩形穿孔葉片在葉片間仍存在多個(gè)回流渦,雖然下方的渦尺度小于原始葉片,但漩渦數(shù)量增加,導(dǎo)致負(fù)壓性能僅提升了1.2%,而氣流速度較原始葉片下降了2%;

圓形穿孔葉片下方雖然仍存在脫落渦,但是葉片上的圓孔結(jié)構(gòu)使得葉片間回流渦數(shù)量顯著減少,因此,葉輪中心的壓力分布均勻,且負(fù)壓性能提升了40.5%,氣流速度較原始葉片提升了11%;三角穿孔葉片的三角孔使得脫落渦尺度減小,速度提升了4.8%,但其葉片間的回流渦仍然存在,因此負(fù)壓性能沒(méi)有提升。

2.2 葉片不同穿孔直徑

由前文的仿真結(jié)果可知,圓形穿孔葉片的降噪效果最好?，F(xiàn)筆者探究穿孔直徑為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm時(shí)圓形葉片的降噪效果(為避免減弱葉片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,穿孔直徑不宜過(guò)大)。

葉片不同穿孔直徑的聲壓頻譜圖如圖11所示。

圖11 葉片不同穿孔直徑

由圖11可知:不同穿孔直徑時(shí),噪聲隨頻率的變化不同;但整體仍呈現(xiàn)為隨頻率增加,噪聲值降低的趨勢(shì)。

葉片不同穿孔直徑噪聲值統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 葉片不同穿孔直徑噪聲值

由表3可知:當(dāng)穿孔直徑為1.5 mm時(shí),風(fēng)機(jī)的噪聲峰值、噪聲最小值最低,且噪聲平均值也低于其余二者。同時(shí),穿孔直徑為1.5 mm時(shí),葉片的噪聲偏差系數(shù)值最大,說(shuō)明在不同頻率下,其對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲影響最明顯。

綜上可知,穿孔直徑為1.5 mm的葉片降噪效果最佳。

2.3 葉片不同孔隙率

由前文的仿真結(jié)果可知:穿孔直徑為1.5 mm的葉片降噪效果最好。現(xiàn)筆者探究葉片上不同面積孔隙率的降噪效果,采用4%、5%、6%的孔隙率進(jìn)行對(duì)比。

葉片不同孔隙率的聲壓頻譜圖如圖12所示。

圖12 葉片不同孔隙率

由圖12可知:不同孔隙率時(shí),噪聲值隨頻率的變化不同;但整體也呈現(xiàn)出隨頻率增加,噪聲值降低的趨勢(shì)。

葉片不同孔隙率噪聲值統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 葉片不同孔隙率噪聲值

由表4可知:當(dāng)孔隙率為5%時(shí),風(fēng)機(jī)的噪聲峰值、噪聲最小值最低,且噪聲平均值也低于其余二者。同時(shí),孔隙率為5%的葉片噪聲偏差系數(shù)值最大,說(shuō)明在不同頻率下,其對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲影響最明顯。綜上,孔隙率為5%的葉片降噪效果最好。

仿真結(jié)果表明:當(dāng)葉片穿孔圖形為圓形、穿孔直徑為1.5 mm、孔隙率為5%時(shí),相較于原始葉片,風(fēng)機(jī)降噪性能提升了5.6%。

3 填充多孔介質(zhì)材料聲學(xué)特性分析

3.1 多孔介質(zhì)動(dòng)量方程

在流體計(jì)算中,對(duì)于多孔介質(zhì)區(qū)域的模擬,通常是在標(biāo)準(zhǔn)流動(dòng)方程中加入動(dòng)量源項(xiàng)Si,將多孔區(qū)域簡(jiǎn)化為增加了阻力源的流體區(qū)域。

其表達(dá)形式下:

(6)

式中:D,C為指定的矩陣;μ為動(dòng)力黏度;ρ為流入介質(zhì)的密度;v為流動(dòng)速度;vj為第j(x,y,z)方向的速度。

對(duì)于均勻多孔介質(zhì),式(6)可簡(jiǎn)化為:

(7)

3.2 求解設(shè)置

為更好地降低噪聲,筆者在葉片內(nèi)部填充多孔介質(zhì)材料,多孔介質(zhì)材料選用具有良好聲學(xué)和力學(xué)性能的玻璃纖維棉[15,16]。

筆者在FLUENT中啟用多孔介質(zhì)Porous Zone命令,模擬填充多孔介質(zhì)材料后的效果,設(shè)置葉片內(nèi)部為多孔介質(zhì)區(qū)域,氣流在區(qū)域內(nèi)的通過(guò)方式為L(zhǎng)aminar Zone,設(shè)置黏性阻力系數(shù)為3.25×107,慣性阻力系數(shù)為5 414。

添加多孔介質(zhì)材料后風(fēng)機(jī)的聲壓頻譜圖如圖13所示。

圖13 穿孔并填充多孔介質(zhì)材料

由圖13可知:穿孔并填充多孔材料后,風(fēng)機(jī)噪聲在各個(gè)頻段均有降低,優(yōu)于原始葉片。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),原始葉片的噪聲平均值為122.56 dB,穿孔并填充材料葉片的噪聲平均值為111.46 dB,平均降低噪聲11.1 dB,降噪效果提升了9.1%。

這是因?yàn)椴ＡЮw維棉是纖維結(jié)構(gòu),內(nèi)部有許多相互貫穿的孔洞和微小間隙,并與表面連通,在聲波作用下,孔洞和縫隙內(nèi)的空氣及多孔材料中的細(xì)小纖維發(fā)生振動(dòng)、產(chǎn)生熱量,從而消耗聲能,因此,添加玻璃纖維棉后的降噪效果在整個(gè)頻帶范圍內(nèi)都有明顯提高。

3.3 氣動(dòng)性能耦合分析

為驗(yàn)證葉片內(nèi)部填充多孔材料后對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響,筆者使用FLUENT進(jìn)行仿真計(jì)算。設(shè)置穿孔圖案為圓形,穿孔直徑為1.5 mm,穿孔率為5%。

穿孔并填充材料葉片仿真云圖如圖14所示。

圖14 穿孔并填充材料葉片仿真云圖

由圖14可知:穿孔并填充材料后,風(fēng)機(jī)的最大壓力增加量為910.98 Pa,最大壓力減小量為-548.32 Pa,最大速度為40.596 m/s。

對(duì)比圖9僅圓形穿孔時(shí),負(fù)壓性能降低了21.5%,這是因?yàn)樘畛涠嗫撞牧虾?多孔材料對(duì)葉片內(nèi)氣流的流動(dòng)有著阻礙作用;

對(duì)比原始葉片,由圖14(b)可以看出:填充材料后葉輪下方的脫落渦仍存在,但葉片間的回流渦減少,減少了氣流損耗,因此負(fù)壓性能提升了11%,速度提升了5%。

綜上可知,葉片穿孔并填充多孔材料,不僅能提升風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能,而且對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲有著良好的吸收效果。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

為驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性,筆者開展原始葉片、葉片穿孔、葉片穿孔并填充材料的正交實(shí)驗(yàn)研究。

筆者設(shè)置不同穿孔類型和填充材料作為變量,噪聲值作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo),其余條件保持不變。

葉片不同穿孔形狀實(shí)物如圖15所示。

圖15 葉片不同穿孔形狀實(shí)物圖

同時(shí),筆者需要確定測(cè)試點(diǎn)和測(cè)試環(huán)境。根據(jù)GB/T 2888—2008《風(fēng)機(jī)和羅茨鼓風(fēng)機(jī)噪聲測(cè)量方法》,測(cè)試點(diǎn)經(jīng)過(guò)葉輪幾何中心,距離殼體L=1 m,測(cè)試環(huán)境需要保證相對(duì)安靜,并且盡可能降低環(huán)境噪聲。

測(cè)試點(diǎn)布置示意圖如圖16所示。

圖16 單吸入離心風(fēng)機(jī)測(cè)試點(diǎn)位置

實(shí)驗(yàn)方案和步驟如下:

1)安裝測(cè)試設(shè)備。在測(cè)試點(diǎn)處安裝聲級(jí)計(jì)等測(cè)試設(shè)備,并確保測(cè)試設(shè)備的位置穩(wěn)定。同時(shí),盡量減小被測(cè)風(fēng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲以及地面和其他物體的反射聲,將電動(dòng)機(jī)噪聲視為背景聲,以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性;

2)進(jìn)行預(yù)測(cè)試。在正式測(cè)試之前,進(jìn)行預(yù)測(cè)試以檢查測(cè)試設(shè)備是否正常工作,并確定測(cè)試環(huán)境是否符合要求,聲級(jí)計(jì)的傳聲器應(yīng)指向聲源,測(cè)量者應(yīng)側(cè)向聲源;

3)進(jìn)行正式測(cè)試。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),使用聲級(jí)計(jì)等測(cè)試設(shè)備測(cè)量噪聲水平。應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)試,同時(shí)根據(jù)GB/T 2888—2008對(duì)聲級(jí)計(jì)的讀數(shù)作背景噪聲修正后的值,以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

筆者將大連某特種風(fēng)機(jī)有限公司布置為實(shí)驗(yàn)地點(diǎn),在對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行噪聲實(shí)驗(yàn)的同時(shí),根據(jù)GB/T 1236—2017《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道性能試驗(yàn)》,對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試平臺(tái)采用沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)研究所研制的風(fēng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)對(duì)氣動(dòng)和噪聲特性的測(cè)試精度能達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后3位。

測(cè)試平臺(tái)如圖17所示。

圖17 測(cè)試平臺(tái)

4.2 葉片不同穿孔形狀實(shí)驗(yàn)

接下來(lái),筆者開展離心風(fēng)機(jī)葉片原始、矩形、圓形和三角穿孔形狀的風(fēng)量和降噪效果正交實(shí)驗(yàn)[17-20]。

葉片不同穿孔形狀實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 葉片不同穿孔形狀實(shí)驗(yàn)

由表5可知:實(shí)際各葉片的噪聲初始值高于仿真葉片初始值,這是因?yàn)閷?shí)際環(huán)境總存在一定噪聲,無(wú)法完全消除。

從表5中可以看出:圓形穿孔葉片相較其余穿孔葉片,降噪2.62 dB,效果最明顯,風(fēng)量提升了12.16%。這是因?yàn)閳A形穿孔使得葉間回流渦數(shù)量減少,因此氣流損耗減少。

4.3 葉片不同穿孔直徑實(shí)驗(yàn)

筆者開展離心風(fēng)機(jī)圓形穿孔葉片穿孔直徑的風(fēng)量和降噪效果正交實(shí)驗(yàn)。

葉片穿孔直徑實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 葉片穿孔直徑實(shí)驗(yàn)

由表6可知:當(dāng)葉片穿孔直徑為1.5 mm時(shí),降噪效果提升了0.5%,風(fēng)量提升了2%,說(shuō)明改變穿孔直徑并不能顯著提升降噪效果,但能提升風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。

4.4 葉片不同孔隙率實(shí)驗(yàn)

在圓形穿孔葉片和穿孔直徑為1.5 mm的基礎(chǔ)上,筆者開展葉片穿孔率為4%、5%、6%的正交實(shí)驗(yàn)。

葉片穿孔率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 葉片穿孔率實(shí)驗(yàn)

由表7可知:當(dāng)葉片穿孔率為5%時(shí),降噪效果提升了0.47%,風(fēng)量提升了2.5%,說(shuō)明穿孔率對(duì)風(fēng)機(jī)降噪性能影響不大,但可以提升其氣動(dòng)性能。

4.5 葉片穿孔并填充材料實(shí)驗(yàn)

在葉片穿孔形狀為圓形、穿孔直徑為1.5 mm和孔隙率為5%、內(nèi)部填充玻璃纖維多孔介質(zhì)材料的基礎(chǔ)上,筆者開展原始葉片、葉片穿孔、葉片穿孔并填充材料的風(fēng)量和降噪效果正交實(shí)驗(yàn)。

葉片穿孔并填充材料實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 葉片穿孔并填充材料實(shí)驗(yàn)

由表8可知:葉片填充材料相較于葉片僅穿孔,風(fēng)機(jī)的風(fēng)量降低了6%。這是因?yàn)槿~片填充材料后,空氣進(jìn)入葉片內(nèi)部后互相摩擦損耗,引起玻璃纖維的振動(dòng)和摩擦,導(dǎo)致風(fēng)量降低,但降噪效果提升了3%;

葉片填充材料相較于原始葉片,可降低噪聲6.72 dB,降噪效果提升了5.3%,同時(shí)風(fēng)量提升了7.5%。

以上結(jié)果說(shuō)明:對(duì)葉片穿孔并填充多孔介質(zhì)材料,在降低噪聲的同時(shí)能有效提升風(fēng)機(jī)風(fēng)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者使用FLUENT數(shù)值模擬方法,對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉片不同穿孔形狀、穿孔直徑、穿孔率的聲學(xué)性能進(jìn)行了模擬,并研究了葉片內(nèi)部填充多孔介質(zhì)材料后的聲學(xué)性能編號(hào),最后開展了相關(guān)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

研究結(jié)果如下:

1)對(duì)葉片穿孔形狀進(jìn)行對(duì)比可知,不同穿孔形狀均能提升風(fēng)機(jī)的降噪性能,其中圓形穿孔形狀降噪性能最佳,且能顯著提升風(fēng)機(jī)負(fù)壓性能;經(jīng)過(guò)對(duì)穿孔直徑為1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm的圓形穿孔進(jìn)行對(duì)比,穿孔直徑為1.5 mm時(shí)降噪性能最佳;對(duì)葉片4%、5%、6%的穿孔孔隙率進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)5%的孔隙率降噪效果最佳;

2)由仿真模擬結(jié)果可知,在穿孔直徑為1.5 mm、穿孔率為5%的圓形穿孔葉片內(nèi)部填充多孔介質(zhì)材料,能有效地降低風(fēng)機(jī)的中高頻噪聲,相較原始葉片平均降低噪聲11.1 dB,降噪效果提升了9.1%,同時(shí)葉片穿孔可提升風(fēng)機(jī)負(fù)壓性能11%;

3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,葉片穿孔并填充材料相較于原始葉片,可降低噪聲6.72 dB,降噪效果提升了5.3%,同時(shí)風(fēng)量提升了7.5%。

在接下來(lái)的工作中,筆者將為葉片填充不同流阻率的多孔介質(zhì)材料,探討其對(duì)氣動(dòng)聲學(xué)特性的影響。