離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲研究方法的分析與建議(離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲仿真)

　　離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲研究方法的分析與建議黃，宇愀洪祁大同西安交通大學(xué)流體機(jī)械研究所主對目前離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲的研宄方法進(jìn)行了分析，總結(jié)出數(shù)值模擬及其計(jì)算方法還不完善?！　√岢隽穗x心風(fēng)機(jī)蝸殼簡化成個(gè)具有硬邊界的理想殼體模型的思路來研宄風(fēng)機(jī)氣動噪聲?！　?引言離心風(fēng)機(jī)的噪聲以氣動噪聲為主，在性質(zhì)上可以分為離散噪聲與寬帶噪聲。其氣動噪聲主要由氣體與葉輪葉片以及蝸殼的相互作用產(chǎn)生，并通過進(jìn)出氣通道加以傳播。蝸殼內(nèi)部的維非穩(wěn)定流場以及殼體的特殊形狀使得對其開展研究變得困難。近年來5國內(nèi)外專家如18，131HoJeon針對離心風(fēng)機(jī)噪聲做了很多研充在發(fā)聲機(jī)理和聲源傳播數(shù)值模擬測試技術(shù)等方面都取得了不少突破，但仍有很多需要進(jìn)步改進(jìn)和完善之處。本文綜6了近年來1內(nèi)外大量文獻(xiàn)的理論訃算和試驗(yàn)研究方法，同時(shí)提出了新的建議。2理論計(jì)算方法2.1點(diǎn)源模型對于風(fēng)機(jī)而言，點(diǎn)源模型是種十分有用的技術(shù)。　　這種近似的準(zhǔn)則是，所要研究的最高頻率的波長入應(yīng)該遠(yuǎn)大于聲源的物理尺寸1.為滿足這個(gè)準(zhǔn)則要求，對發(fā)射較高頻率噪聲的葉片，在應(yīng)用點(diǎn)源模型時(shí)，可將每個(gè)相關(guān)面積或相關(guān)體積視為個(gè)小尺寸的孤立聲源將風(fēng)機(jī)葉片用沿著葉片展長分布的孤立點(diǎn)源的總和來模擬。目前有人研究了自由聲場旋轉(zhuǎn)點(diǎn)聲源的聲學(xué)特性通過波動方程推導(dǎo)出了運(yùn)動點(diǎn)源產(chǎn)生的聲場公式，該公式適合于葉片上的每個(gè)微元啦然對葉片上的所有微元求積分就可以求出葉片運(yùn)動產(chǎn)生的聲場但擬定葉片微元的點(diǎn)源尺寸是個(gè)難，而且般來說風(fēng)機(jī)葉片都不是直葉片，甚至在空間有很大扭曲，用點(diǎn)源模型進(jìn)行模擬容易產(chǎn)生較大誤差。　　另外，上述研宄針對的是自由聲場，而離心風(fēng)機(jī)必須考慮蝸殼的影響。　　2.2蝸舌的尖劈模擬靜止板緣紊流邊界層聲發(fā)射的理論兌公式早已得出，但用于葉輪機(jī)械噪聲還需進(jìn)步改進(jìn)。陸桂林考慮了葉片旋轉(zhuǎn)對聲發(fā)射的影響，并結(jié)合有關(guān)試驗(yàn)資料。引入葉片兒何參數(shù)的組合關(guān)系式，推導(dǎo)出了個(gè)有2個(gè)葉片的離心風(fēng)機(jī)葉輪葉片尾緣紊流邊界層聲發(fā)射計(jì)算公式。這些都是在無蝸殼假定下噪聲計(jì)算公式的推導(dǎo)。為了模擬蝸殼存在的情況。1.。1輪附近放置個(gè)尖劈模擬蝸舌，以它來作為產(chǎn)生離散噪聲的聲源. 1. 通過此模型計(jì)算出流場，然后用非定常的伯努利方程計(jì)算出作用在葉片微元上所受的力，最后利用界80導(dǎo)出的任意運(yùn)動點(diǎn)源的聲場公式計(jì)算聲壓本文其他作者聞蘇平曹淑珍運(yùn)用該模型進(jìn)行風(fēng)機(jī)噪聲的數(shù)值模擬可以得到很多有價(jià)值的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，改變其中些參數(shù)，如葉片數(shù)，葉輪旋轉(zhuǎn)速度和葉輪與尖劈之間的間隙等來盅新進(jìn)疔汁算。并加以比較可以分析葉片通過頻率噪聲的影響因素，對離心風(fēng)機(jī)的降噪有指導(dǎo)意義，尤其是對分析離散噪聲的成因及其降噪方法有著比較重要的作用。但是它只能模擬風(fēng)機(jī)的基頻噪聲，且仍沒有考慮完整蝸殼的存在?！　?.3基于寬頻噪聲的模擬寬頻噪聲也稱作渦流噪聲，它主要取決于對應(yīng)流場所對應(yīng)的聲場解，所以渦流噪聲很多都還是試驗(yàn)研究或者理論上的定性分析。從出0方程和離心風(fēng)機(jī)的具體邊界條件出發(fā)可以得出基本方程然后基于數(shù)量級分析的基礎(chǔ)上，做了些簡化，并將整個(gè)流場分成主流區(qū)和邊界層區(qū)分別加以討論。最后結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行了分析，證明了定性分析進(jìn)亍了建，2所不，利用不區(qū)域，或出丑1然廠利用傅葉。變換量綱分析以及市學(xué)相似定律導(dǎo)出了以下關(guān)系式則聲壓譜密度的達(dá)式為在得出關(guān)系式利⑴試驗(yàn)研究可以分析聲以譜密度與各參數(shù)之間的相互關(guān)系。可以看出，利用該模型求解時(shí)，需要借助試驗(yàn)才能確定聲壓與各參數(shù)之間的體關(guān)系。因此小1能較好地從理論上直接解決離心風(fēng)機(jī)的噪聲問。　　2.4邊界單元法計(jì)算邊界單元法的計(jì)算例子較多，但都大同小異，這里重點(diǎn)舉李繼芳的算例加以說明，他運(yùn)用！也積分方程得出了蝸殼面速度分布與蝸殼面聲壓的積分關(guān)系式格林函數(shù)可以得到整個(gè)蝸殼向外輻射的聲功率可以利用加速度傳感器得到蝸殼面的振動速度分布，然后通過公式計(jì)算出蝸殼面的聲壓，或者可以通過風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口的聲壓計(jì)算進(jìn)出口福射的聲功率，然后得到總合成聲功率?？梢钥闯?，該計(jì)算方法可以計(jì)算蝸殼振動引起的噪聲福射，也可以計(jì)算通過進(jìn)出口管道向外傳遞的噪聲?！　〉窃跍y量進(jìn)出口的聲壓時(shí)，由于氣流的影響，使測量受到較大的干擾，因此測定的聲壓不定是真實(shí)值；另外，由于蝸殼面各點(diǎn)振動極不均勻，不僅僅是垂直于面振動，甚至隨時(shí)間變化。測量時(shí)需要測量大量點(diǎn)的振動速度，工作量大，而且可靠性不因此該方法的應(yīng)也有局限性2.5蝸殼聲電類比模型很早人們就提出了聲電類比方法并計(jì)算出了3心風(fēng)機(jī)的尸共振頻率，并用局階模態(tài)分析方法分析了幾個(gè)具有比亥姆霍茲共振頻率更高的譜峰，用試1收繪蝸殼內(nèi)規(guī)范化的壓分依。后宋黃其柏又在此基礎(chǔ)上提出了蝸殼基頻共振引起的噪聲增量數(shù)學(xué)模型，最后推導(dǎo)出了在共振頻率處遠(yuǎn)場某點(diǎn)總噪聲聲級增坑為進(jìn)出氣口以起的噪聲增；利用此式可以對遠(yuǎn)場某點(diǎn)總噪聲聲壓級增值進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化。國內(nèi)些試驗(yàn)己經(jīng)證實(shí)了蝸殼基頻共振噪聲在小流2工況的要性?！　?.6聲學(xué)相似定律由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的系列確定噪聲功率的標(biāo)準(zhǔn)，同樣也適用于風(fēng)機(jī)。試驗(yàn)各種不同型式和尺寸的風(fēng)機(jī)需要大量試驗(yàn)設(shè)備和時(shí)間，而且費(fèi)用昂貴。因此將相似定律應(yīng)用于風(fēng)機(jī)氣動噪聲，能大大降低成本。從而1以根據(jù)1種尺寸風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)資料，對尺寸不同而因次相似的風(fēng)機(jī)系列進(jìn)行聲功率的1；七101對風(fēng)機(jī)噪聲作了因次分析，且得到了無因次參數(shù)關(guān)系式隨機(jī)噪聲的頻譜噪聲可有不同的定義，63用矩形尖劈校擬蝸舌付七蝸殼的離心叫輪進(jìn)行了聲輻射研宄。得出另外，考忠到4機(jī)中存在著某種。士源其相似關(guān)系為此。換；因次相似的風(fēng)機(jī)噪聲邾！譜，可上面兩個(gè)公式的任何個(gè)，但是對于同系列而尺寸不同的風(fēng)機(jī)，常數(shù)，3和函數(shù)凡6或尸，6應(yīng)分，對應(yīng)相等?！　÷晫W(xué)相似定律的應(yīng)用也是需要預(yù)先知道某因次相似風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)資料才能進(jìn)行聲輻射計(jì)算開展聲學(xué)設(shè)計(jì)也不是單純從理論上直接解決離心風(fēng)機(jī)噪聲問3試驗(yàn)研究方法3.1進(jìn)出口管道試驗(yàn)由于缺乏準(zhǔn)確的理論數(shù)據(jù)，因此很多試驗(yàn)還是基于理論上的定性分析進(jìn)行試驗(yàn)，般都采取帶有消聲器的進(jìn)氣或出氣管道在進(jìn)出口進(jìn)行噪聲測里，然后再對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)丁頻譜分析以判斷噪聲源和傳播途徑。在試驗(yàn)過程中通常都會先分別考慮軸向徑向進(jìn)口間隙蝸殼的擴(kuò)張角和擴(kuò)張長度以及蝸舌與葉輪間隙蝸舌傾斜角蝸舌半徑和葉輪類型葉片數(shù)目等參數(shù)，分別分析這些參數(shù)對離心風(fēng)機(jī)噪聲的影響，但是這樣進(jìn)行分析和試驗(yàn)的工作量太大，而且忽略了各個(gè)參數(shù)之間的相互影響?！　?.2離心風(fēng)機(jī)機(jī)殼的聲學(xué)優(yōu)化機(jī)殼的型線對于離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲而言是極其重要的，如何得到優(yōu)良的機(jī)殼型線是很多人都關(guān)注的問在目前的大多數(shù)研究中，僅是通過修改機(jī)殼蝸舌區(qū)域來降低基頻強(qiáng)度。迅化1等改變整個(gè)蝸舌形狀來找尋關(guān)于產(chǎn)生噪聲的最優(yōu)設(shè)計(jì)。　　作為種試驗(yàn)工具，扮6米用了植物與動物到戶10這10個(gè)變量在各種角向位置時(shí)蝸舌壁面離轉(zhuǎn)子軸的距離來描述蝸舌。通過變量戶1到戶10的隨機(jī)變動產(chǎn)生組9個(gè)后代量，9個(gè)后代量最佳型線。但是該試驗(yàn)程序只考慮到了蝸殼自身參數(shù)的影響，而忽略了葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)?！　?.3高心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化試驗(yàn)方法大量的試驗(yàn)是在保證其他參數(shù)不變的前提下，只改變某個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)得出其優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而忽略了各個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性，因此利用優(yōu)化試驗(yàn)方法正交回歸設(shè)計(jì)方法，最優(yōu)回歸設(shè)計(jì)方法等就很有必要。些文獻(xiàn)中己通過不同實(shí)例計(jì)算出了風(fēng)機(jī)聲壓級與系列參數(shù)之間的回歸函數(shù)關(guān)系式，并采用了優(yōu)化方法進(jìn)行了計(jì)算。其基本思想是在選擇離心風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，考慮到各個(gè)矣數(shù)之間的+關(guān)刊，在丈際應(yīng)利優(yōu)化回，方法，通過試驗(yàn)得到系列數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)噪聲值的非線性回歸，得到個(gè)非線性方程后進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如可將聲壓級1針對8個(gè)參數(shù)進(jìn)行3次回歸設(shè)計(jì)得出其關(guān)系式然后采逐步歸分析法逐個(gè)以入變進(jìn)因子篩選。每引入個(gè)新的變量都對前面的變量進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，保留其中對5凡影響顯著的變量，剔除對5影響不顯著的變量，從而可以得到個(gè)最優(yōu)回歸方程，該方程中包含所有對1影響顯著的變量。這種優(yōu)化手段用較少的試驗(yàn)就可以得出比較滿意的結(jié)果，但是它不能夠得到各個(gè)噪聲源對接受者的貢獻(xiàn)?！　?.4相干分析技術(shù)為了彌補(bǔ)述缺陷如汾析技術(shù)岜隨相覽機(jī)的發(fā)1傾開展了，在嘩聲源的識別中。經(jīng)；遇到的情況所感受，噪聲系來自多個(gè)噪聲源，通過相干分析，就1似付個(gè)戶1源各內(nèi)付接受者的影響，這1技求已玉內(nèi)應(yīng)吼閩內(nèi)外文獻(xiàn)已利用相戶分析技術(shù)分析離心風(fēng)機(jī)哚聲的源特性及其產(chǎn)生機(jī)現(xiàn)，其基木理是基于將噪聲傳遞系統(tǒng)視為個(gè)多輸入中輸出的系統(tǒng)系統(tǒng)中備個(gè)輸入源之間互不相干，3.　　眷慮蝸殼的離心風(fēng)機(jī)的噪聲模擬及計(jì)算是需要解決的問。因此，提出的建議是可以把離心風(fēng)機(jī)蝸殼簡化成個(gè)具有硬邊界的理想殼體模型，4.并暫時(shí)忽略進(jìn)出口軟邊界的影響，推導(dǎo)出殼體內(nèi)的格林函數(shù)，而后將此格林函數(shù)推廣到考慮進(jìn)出口軟邊界的情況，然后利用該函數(shù)對離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部由旋轉(zhuǎn)葉輪產(chǎn)生的氣動聲場進(jìn)行時(shí)域求解便可以得到理論解方程。在計(jì)算出離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部的維非穩(wěn)定流場之后，利用該模型和理論解方程就可求出與流場相對應(yīng)的氣動聲場，這樣就可以彌補(bǔ)蝴其他計(jì)算模擬方法的不足，我所正在進(jìn)行這方面的理論和計(jì)算工作，同時(shí)也為同行們進(jìn)行離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲計(jì)算提供參考。目前，已經(jīng)得到了忽略進(jìn)出口軟邊界的蝸殼體內(nèi)的格林函數(shù)3.5計(jì)算機(jī)指導(dǎo)試驗(yàn)由于試驗(yàn)設(shè)備繁重，工作量大，處理數(shù)據(jù)繁瑣，因此利用電腦監(jiān)控試驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理是必不可少的，現(xiàn)在可以用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字化動靜態(tài)測試分析。虛擬儀器簡稱1和卡泰儀器簡稱0丁人1技術(shù)發(fā)展相當(dāng)迅速，虛擬儀器被稱為是振動噪聲動力學(xué)控制技術(shù)的革命。05大世普軟件虛擬儀器庫具有國際先進(jìn)水平的大容量數(shù)據(jù)采集與信號處理軟件系統(tǒng)，其功能強(qiáng)大，用途廣泛，可于進(jìn)1振動。沖擊。噪聲。信號和，息處理。計(jì)算機(jī)輔助測式。校態(tài)分析，結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改。故障診斷與，基檢測環(huán)境振動與噪聲測試等諸多分析測試工作。只是到目前為止，虛擬儀器在風(fēng)機(jī)行業(yè)中應(yīng)用還很少，如果能廣泛應(yīng)用，將會使離心風(fēng)機(jī)的試驗(yàn)測式。數(shù)據(jù)采集與分析進(jìn)入外全新的階段，4討論1對于離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲而言，數(shù)值模擬及其計(jì)算方法還不成熟，不能得出計(jì)算離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲的理論公式，有的即使得到了聲壓與各參數(shù)之間聯(lián)系，還需要借助試驗(yàn)來確定具體關(guān)系式，顯然這些方法只限于對己有風(fēng)機(jī)進(jìn)行計(jì)算，而不能在對新風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣動設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計(jì)。因此根據(jù)此格林函數(shù)求得了蝸殼內(nèi)部聲場的，域解但是由于忽略了蝸殼進(jìn)出口軟邊界的影響，這個(gè)公式與實(shí)際情況還有較大差距，因此還有必要對此進(jìn)行深入研，以得到有進(jìn)出口軟邊界時(shí)蝸殼內(nèi)部的格林函數(shù)并進(jìn)行時(shí)域求解?！　?隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，噪聲試驗(yàn)測試技術(shù)發(fā)展比較迅速，些先進(jìn)的試驗(yàn)手段己經(jīng)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)上，但還是不夠；在其他行業(yè)，虛擬儀器的使用和仿真試驗(yàn)已大大減少了人力物力，使得很多難以進(jìn)行的試驗(yàn)變得容易開展，建議應(yīng)使這些先進(jìn)的試驗(yàn)手段盡快應(yīng)用于風(fēng)機(jī)氣動噪聲行業(yè)并不斷開發(fā)拓展其應(yīng)用范圍