叶片厚度对旋涡风机叶片噪声的影响分析(一)

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摘要：利用三维ＣＦＤ模型对旋涡石家庄风机内部流场进行模拟分析，获得叶片表面的压力脉动信息，以叶片表面压力流场作为气动声源，通过求解ＦＷ－Ｈ方程，计算了叶片产生的远场气动噪声；并以叶片表面的压力脉动信号作为激励源，计算了叶片振动产生的噪声。计算结果表明叶片厚度在１ｍｍ到４ｍｍ的范围，其气动噪声基本保持不变，结构噪声随叶片厚度减小而大幅增加，进一步分析得出叶片产生的噪声以气动噪声为主，结构噪声基本可以忽略。关键词：旋涡石家庄风机；气动噪声；结构噪声；叶片厚度

    旋涡石家庄风机是一种用来输送或者抽取气体的装置，因为它有结构简单、体积小、质量轻、价格低廉等特点，因此应用十分广泛。韩惠君等［１－２］建立旋涡石家庄风机性能的数学模型，研究了改变叶片参数对旋涡石家庄风机性能的影响，分析得出改变叶片厚度对石家庄风机性能影响很小，同时，通过疲劳分析，给出了符合疲劳强度的叶片厚度范围，指出叶片厚度过厚，因此，可通过减小叶片厚度以实现轻量化的目的。但该文并没有考虑叶片振动、噪声问题，本文将对此问题进行研究。
旋涡石家庄风机作为一种旋转机械，其噪声包括气动噪声和结构噪声。目前，对于旋涡石家庄风机气动噪声的研究文献较少，关于其它旋转机械气动噪声的研究，主要集中在轴流、离心、贯流等石家庄风机的内部流场模拟和气动噪声的预测上，Ｗｏｌｆｒａｍ等［３］用试验和仿真结合的方法研究了离心石家庄风机的非定常运动和气动噪声，指出了离散噪声产生的原因。Ｃｈｏ等［４］利用非结构三角形网格和非稳态二维Ｎ－Ｓ方程对横流石家庄风机内流场进行计算，提出了用非均匀节距叶片来改善石家庄风机的离散噪声。
    刘敏［５］提出了一种贯流风扇气动噪声的预测模型，分析了风扇气动噪声源的产生机理、位置及强弱。毛义军等［６］分析了离心石家庄风机叶片辐射噪声特性。苏虎［７］用二维ＣＦＤ模型对旋涡石家庄风机内流场进行了分析，并分析了叶片弯角、叶片数等参数变化对石家庄风机噪声的影响，但该文并没有分析叶片厚度变化对石家庄风机噪声的影响。在石家庄风机结构噪声方面，蔡建程等［８］数值模拟了离心石家庄风机蜗壳在非定常气动力作用下的蜗壳振动噪声。宋立廷［９］采用有限元和边界元相结合的方法，对旋涡石家庄风机壳体振动声辐射进行了预测，但并没有计算叶片结构噪声。戚美［１０］分析了轴流通石家庄风机动叶片的声振特性，通过改变叶片结构尺寸达到减振降噪目的，但并没有叶片厚度变化对叶片结构噪声的影响。
    此外，没有查阅到综合考虑分析叶片的气动噪声与结构噪声的相关文献。本文针对燃料电池车用石家庄风机进行研究分析，石家庄风机型号为台湾瑞昶电机有限公司的ＤＧ－６００系列。首先完成了旋涡石家庄风机内部流场计算，以提取叶片表面的压力脉动信号，接着分别建立了计算石家庄风机气动噪声与结构噪声的仿真模型，研究了叶片厚度变化对气动噪声以及结构噪声的影响，最后，对叶片噪声中气动噪声和结构噪声各自所占的比重进行了分析。１旋涡石家庄风机内部流场计算１１物理模型建立图１显示的是旋涡石家庄风机内流场计算的三维ＣＦＤ模型，采用的是六面体网格，网格总数约５５０万。仿真计算的参数为，石家庄风机转速３０００ｒ／ｍｉｎ，入口压力为０，出口压力为１０ｋＰａ，湍流模型为大涡模拟。将旋涡石家庄风机的入口设为压力入口边界，出口设置为压力出口边界，其它边界条件均为固壁边界。