莱特希尔声类比方法(风机检测)

1.3.2.3 莱特希尔声类比方法(Lighthill's Acoustic Analogy)

莱特希尔方程源于流体力学N-S方程[61]【62],其方程形式为

    式中为莱特希尔应力张量。如果将方程左边看成源项,则方程为典型的声学波动方程,可以用已成熟的古典声学方法来求解,对于方程右边的应力张量,可以通过实验或计算流体力学方法计算得到。莱特希尔所提出的这种声类比方法在解决实际问题过程中获得了极大成功。后来,福茨威廉姆斯

    方程右边第一项表示容积移动效应引起的单极子声源,第二项表示由物体表面作用在流体上的力引起的偶极子声源,第三项表示由流体运动引起的四极子声源[?][64]。随着计算流体力学的发展,目前很多商用CFD软件中已经包含莱特希尔声类比声学模型[65]。一般来说,首先需要对流场进行计算,然后使用声类比理论将流场数据转化为声源,最后计算声场辖射。莱特希尔声类比方法计算气动噪声的最大优点是将声音的产生和声音的传播分别计算,与计算气动声学方法相比,计算量和计算格式要求较低。此外,根据奈奎斯特釆样定理,可还原的最高信号频率只有釆样频率的一半,因此在对流场进行瞬态计算的时候,设置的时间步长能与计算气动噪声的最高频率对应。

1.4本文的研究内容

    针对于目前传统无叶风扇扩散型出风内表面,本文提出了带收缩型出风内表面的无叶风扇的设计思路,依此为依据进一步设计了两款无叶风扇(其中出风口间隙小于5 mm称为小间隙无叶风扇,大于5 mm称为大间隙无叶风扇)在相同功耗的情况下,用以克服传统无叶风扇小间隙、高压阻和内置风机髙转速、高噪音的缺点。本文釆用先数值模拟,后实验验证的思路,完成新型无叶风扇和内置风机的设计与研究。同时鉴于无叶风扇和内置微型风机结构与流场差异很大,数值研究采用无叶风扇和风机分开建模,独立计算的方法,以无叶风扇性能需求作为内置风机设计的依据。本论文的主要工作如下:

    首先,阐述了无叶风扇的设计思路,设计了一款带有收缩型出风内表面、小间隙出风的无叶风扇.通过流场分析验证收缩型内表面设计方案的可行性,同时用数值模拟的方法研究收缩角和入口速度环量对小间隙无叶风扇性能的影响,为无叶风扇及内置风机设计提供依据.为满足小间陳无叶风扇的性能需求,同时石家庄风机厂达到风机降转速的目的,提出了两级微型风机的设计思路。为了研究微型风机叶片非等节距布置的降噪效果,设计了5种叶片分布方式,以单级风机为例,用数值模拟的方法研究叶片分布方式对风机气动性能和声学性能的影响,找到叶片最佳分布方式.在此研究基棚上设计两级风机,对两级风机的流动特性和气动声学特性进行数值研究,对比模型风机相似工况的噪声情况,在效率不下降的前提下,达到降噪效果。

    其次,实验研究模型风机与底座安装间距对风机进口噪声的影响,为无叶风扇内置风机的安装提供参考。对小间隙无叶风扇和内置两级风机样机进行实验研究,与模拟结果进行对比,验证了研究思路和设计方案的可行性.

    再次,为了降低无叶风扇气流阻力,设计了一款带有收缩型内表面大间隙出风的无叶风扇。鉴于大间隙无叶风扇出风不均句的情况,在风扇出风口增加了格栅设置,不断调整格栅密度,达到了均匀、髙效的出风效果;在此最佳格栅密度的基础上又深入研究了收缩角对大间陳无叶风扇出风效果的影响,最终找到该模型下的最佳收缩角。

    最后,为了满足大间隙无叶风扇性能,设计了一款带后置空间导叶的大流量低风压混流风机,对大流量风机性能和噪声级进行预测,对比模型风机相似工况的噪声情况,在效率不降的前提下,达到了降噪效果。