叶片厚度对风机叶片噪声的影响分析(1)

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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。韩惠君等建立石家庄风机性能的数学模型，研究了改变叶片参数对石家庄风机性能的影响，分析得出改变叶片厚度对风机性能影响很小，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。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、贯流等风机的内部流场模拟和气动噪声的预测上，Ｗｏｌｆｒａｍ等用试验和仿真结合的方法研究了离心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等利用非结构三角形网格和非稳态二维Ｎ－Ｓ方程对横流风机内流场进行计算，提出了用非均匀节距叶片来改善风机的离散噪声。刘敏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。毛义军等分析了离心风机叶片辐射噪声特性。苏虎用二维ＣＦＤ模型对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风机噪声的影响，但该文并没有分析叶片厚度变化对风机噪声的影响。在风机结构噪声方面，蔡建程等数值模拟了离心风机蜗壳在非定常气动力作用下的蜗壳振动噪声。采用有限元和边界元相结合的方法，对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。戚美分析了轴流通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风机进行研究分析，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。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，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。叶片表面的监测位置如图２所示，这样，待非定常计算结束时，便可以得到１１０个叶片表面压力脉动数据。作用在叶片上的压力时域图呈现出了明显的周期性特征，周期与风机转速一致，当风机转速为３０００ｒ／ｍｉｎ时，压力变化一周的时间为０．０２ｓ。而且无论是叶片的吸力面还是压力面，都无一例外的表现出了５５倍频（２７５０Ｈｚ）的峰值频率，这说明风机噪声中的５５倍频主要由叶片贡献。