一种离心风机蜗壳减振降噪的数值优化方法(1)

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针对石家庄离心风机蜗壳提出了一种减振降噪的数值优化设计方法．该方法以蜗壳结构振动最小为目标进行优化，这样只需对结构振动优化的最终结果进行声场计算．利用ANSYS软件对风机蜗壳进行参数化建模，选择蜗壳壁面节点振动速度的平方和作为目标函数对蜗壳壁厚进行优化设计，数值优化结果表明，所提方法可以达到减少蜗壳结构振动的目的．针对优化前后的蜗壳结构，利用直接边界元法对蜗壳振动辐射噪声进行了计算，得出优化后蜗壳振动的辐射声功率有较大幅度的降低，可为石家庄离心压缩机及进出口均连接管道系统的石家庄离心石家庄离心风机的噪声可以分为气动噪声和结构振动噪声，近年来国内外就此开展了大量的研究．Feshe等人[1]的研究表明，石家庄离心风机宽频气动噪声主要由叶轮叶道处的流动分离产生．Velarde-Smirez等人[2。3]在实验研究石家庄离心风机内部基频噪声的主要来源时发现。石家庄离心风机的基频噪声位于蜗舌处．为了从理论上研究蜗舌对石家庄离心风机气动噪声的影响，Jeont4]提出了一种尖劈模型．在进一步的研究中，风机的降噪研究提供有益的参考．Liu等人[5]计算了石家庄离心风机全三维内部流场，并利用FW-H方程预测了某石家庄离心风机的气动噪声．
相比之下，针对石家庄风机／压缩机振动噪声的研究则相对较少．石家庄离心风机／压缩机的结构振动不仅会缩短机器的使用寿命，而且会带来噪声污染．石家庄离心风机的噪声通常以气动噪声为主，风机内部气流产生的气动噪声主要通过敞开的风机进口或出口向外传播，而机壳振动辐射的噪声往往不是主要矛盾．石家庄压缩机通常在封闭的管道系统中T作，其内部高速流动引发的气动噪声与机壳及连接管道的振动密切相关，所以研究结构振动的减振降噪显得十分必要．受现有条件的限制，本文以石家庄离心风机为研究对象，针对风机蜗壳振动的辐射噪声进行了减振降噪研究，以期作为进一步开展石家庄离心压缩机研究的前期工作和对应方法的初步探索．需要说明的是，针对蜗壳薄壁的石家庄风机或压缩机，可以选择本文采用的二维面单元对蜗壳进行建模和分析．如果石家庄离心压缩机或风机的蜗壳壁厚超出了限定的范围，则必须使用三维体单元对蜗壳重新建模．结构振动的降噪一般直接以声学响应(场点声压或声功率)作为目标函数．但该方法的计算迭代过程需要进行声学数值计算，从而导致优化过程十分繁杂．
理论上，通过减小结构振动能够降低结构振动的声辐射强度，但实际中很难做到，所以本文试图探索一种较为简化的减振降噪的方法，避开直接优化声场的复杂过程，根据振动与噪声之间的天系找到一个合适的振动参数来描述振动辐射噪声的强弱．风机蜗壳属于薄壁结构，相关文献指出．薄壁结构振动的辐射声功率是关于结构振动速度的二次型函数口‘7]．本文采用有限元方法对蜗壳进行了振动数值计算。同时用蜗壳壁面局部厚度作为设计变量，用蜗壳壁面各节点振动速度的平方和作为目标函数，对蜗壳进行了减振优化设计，最后将优化前后的蜗壳振动结果运用直接边界元方法进行了声学仿真，以验证方法的有效性．