风机气动嚷声数值研究

作者：石家庄风机　　　　　日期：2014-9-19　　　　　浏览：1832　　　　　

 

    近年来Fluent软件被广泛应用于声学计算【72]【73],其内嵌了三种噪声分析模型:直接计算声学法、声类比模型和宽频噪声模型.直接计算声学法虽然精度髙,但是由于流动和声学变量尺度跨越很大,对计算方法的精度和计算机的硬件都有很高的要求,目前在工程应用中是不足取的,本文利用后两种声学模型对风机噪声进行研究,从不同角度衡量不同结构参数下风机产生噪声的大小。

 

 

    因为声压比较容易测量,并且通过声压的测量还可以间接求得质点速度等其它物理量,所以声学中常用这个物理量来描述声波。从听阐(2xlO_5Pa)到痛阈(20Pa),声压绝对值相差100万倍,因此用声压的绝对值表示声音的强弱是不方便的。为方便起见,引用声压级表示声音大小,单位为分贝(dB)。

    声类比模型就是计算各点声压级,此方法主要包括以下两个步骤:首先采用数值计算方法得到叶轮机械的瞬态流场,从而获取与声源相关的信息,常见的计算方法诸如釆用Reynlods时均方程(RANS)、大祸模拟(LES)等[74]【75];然后釆用FW-H方程对离散噪声进行计算,利用自由空间格林函数求解FW-H方程,得到任意观察点位置的声压信息。卢云涛76]分别釆用RNGifc-e、Realizablek-e. k-讼、SST免-co四种端流模型结合FW-H声学模型对水滴型潜艇模型的流噪声进行模拟,证明RANS潘流模型结合FW-H声学模型的方法可以用来模拟潜艇的流噪声,在潜艇的流噪声的预报上能得到合理的结果和一定的计算精度。

    将声类比模型计算得到的压力参数(各监测点处压力随时间的变化)进行快速傅里叶变换,得到各监测点的声压级随频率变化的气动噪声频谱图。目前此种方法已被广泛应用于各类风机的噪声预测中[77][78],并取得很好的效果。

 

 

    声功率不同于声压,它不受测点与声源距离以及周围声学环境的影响,表示的是声源箱射的总强度,相对于声压来说,声功率在噪声的声学特性参数中具有更好的可对比性。而在声学中常用对数标度来度量声强的大小,即声功率级,单位用分贝(dB)表示。

    宽频噪声模型通过统计雷诺平均的N-S方程获得瑞流量,然后结合lighthill声学积分理论,模拟宽频噪声,得出各点声功率级分布。与FW-H模型不同,它不需要求解瞬态流场,它的计算是基于雷诺时均方程的平均速度,瑞流动能和潘流耗散率。

    本文先通过宽频噪声模型研究风机声源强度分布情况,确定主要声源,然后利用声类比,计算风机流场中各监测点声压级。利用声类比方法进行声场计算,首先要得到风机的瞬态流场,在对风机进行非定常计算时,引入滑移阿格模型1]?滑移网格模型可以使交界面两侧的网格相互滑移,而不要求交界面两侧的网格节点完全重合。计算时只需要计算交界面两侧的通量并使其相等,即可实现动一静交界面间的信息传递。而在计算交界面的通量时,需要首先在每一个新的时间步确定出交界面两侧接触区的重合面。通过网格重合面的通量由交界面两边接触区的重合面计算,而不是用整个交界面计算。在非定常计算过程中,通过引入滑移网格技术,可以精确考虑不同时刻旋转域和静止域间的相对位置,应用连续界面传递法,可以准确模拟动静干扰的非定常流动[82]。在进行非定常数值计算时,瑞流模型依然采用ealizablek-s模型,取标准壁面函数,与空间相关的扩散项均采用二阶差分格式,压力修正采用PISO算法,空间离散格式中压力项釆用PRESTO格式,时间离散采用二阶隐式格式。

    将风机每个旋转周期平均分成180个时间步,时间步长At = 7.4074074xl(r5(s),即完成一个计算周期需要计算180步。当每个物理时间步长内的迭代次数达100次或控制方程变量的绝对残差均小于10—4时,进入下一个时间步的迭代。一个时间步长内的计算完成后,时间步向前推进,同时叶轮部分的网格相应的转到新的位置,并开始进行下一个时间步长上的迭代计算。

    图3.16为模型风机额定工况点噪声声功率级分布图,由图可以看出叶轮声功率级较大,特别是在叶轮进出口处,是风机气动噪声的主要噪声源;导叶处声功率值则相对较小,这是由于导叶入口安放角与液流角匹配,叶轮出口气流均句地流进导叶,从而降低了气动噪声的声功率值;而进出管处声功率级很低,可以忽略,因此本节在瞬态计算风机声压级时定义叶轮和导叶为声源。

    根据声功率分布情况,在叶轮进出口、导叶出口,以及风机进出口上下游共定义5个监测点,图3.17为监测点分布示意图,各点坐标分别为(0,0,100)、17,(),3)、(5(),0,-51)、(55,0,-77). (0,0,-177)。

    对模型风机进行噪声测试,测试时风机包括叶轮和导叶,图3.18为测试时声压计与风机相对位置示意图,声压计放在风机出口,探头垂直于流体流动方向。改变电机转速,测量风机出口处声压级,其对应数值模拟中的点4。图3.19为不同转速下模型风机出口处噪声数值模拟结果和实验数据的对比图,由图可以看出数值模拟石家庄风机结果比实验值要低,这主要是因为数值模拟仅体现了气动噪声,而实验值还包括机械唉声;虽然数值模拟不能定量描述声压级,但其能很好地反映出声压级随转速的变化规律。3.20为风机转速为7500 r/min时各监测点声压级情况,由图可知,叶轮出口声压级最高,其次是叶轮进口,这与图3.16声功率级分布是对应的。经过导叶后,声压级明显降低;随着远离风机,,进出口声压级均降低,但是风机进口上游声压级相同距离降低幅度较导叶出口下游大。这主要是因为风机进出口压力脉动主频不同,图3.21为点2和点4处压力脉动对比图,由图可以看出,点2主频为760 HZ,点4主频为420 HZ,点2主频较大,高频噪音传播过程能量耗散较低频噪音严重。

 

    由上节可知声场数值模拟可以用来定性比较不同参数下风机的噪声水平。因此本节利用数值模拟的方法单片机解密预测两级风机噪声水平,并与模型风机进行对比,验证降噪方案的可行性。监测一级叶轮进出口、二级导叶出口以及风机上下游压力脉动信息,各点相对位置与模型风机计算时一致,获得各点声压级如表3.6,与模型风机噪声水平对比可知通过两级降转速设计,新风机出口远场声压级比模型风机降低6.5 dB,降噪效果明显,达到设计初衷。