孙扬智;肖世德;徐鑫凯;潘绍飞
【摘 要】A three-dimensional model of an axial fan for analysis of its aerodynamic noise is built. The Lighthill acoustic analogy theory, FW-H acoustic wave equation and Fluent code are used to analyze the characteristics of the aerodynamic noise induced by the axial fan’s rotating blades. The simulation result shows that the static pressure of the rotating blades is mainly distributed on the forward side of the blades, while the fluctuating pressure is distributed on both sides and mainly concentrated in the outer edge of the blades. This phenomenon is due to the severe air turbulence from the vortexes in the outer edge of the blades. The acoustic power is also distributed in the outer edge of the blades, but its distribution characteristic is different from that of the fluctuating pressure, indicating that the aerodynamic noises of the rotating blades are not all produced by the fluctuating pressure. The aerodynamic noise induced by the rotating blades increases with the increasing of the rotation speed and the diameter of the blades.%针对某型轴流风机引起的气动噪声问题，建
立该型轴流风机的三维模型，利用Lighthill声类比理论、FW-H声波波动方程和Fluent数值模拟，分析该轴流风机旋转叶片引起的气动噪声的噪声特性。数值模拟结果表明，旋转叶片上的静态压力主要集中在旋转方向前方的叶面上；而脉动压力则在叶片的两个面上均有分布，分布区域主要集中在叶片的外缘，这是由于叶片外缘脱落的旋涡引起的剧烈的气流震荡所导致。叶片上的气动噪声功率主要分布在叶片的外缘，其分布规律与脉动压力的分布规律有差异，表明旋转叶片的气动噪声并不完全由脉动压力产生。旋转叶片所诱发的气动噪声随着叶片转速和风机直径的增大而增大。
【期刊名称】《噪声与振动控制》
【年(卷),期】2016(036)004
【总页数】5页(P124-128)
【关键词】声学;轴流风机;旋转叶片;气动噪声;FW-H方程;Fluent软件
【作 者】孙扬智;肖世德;徐鑫凯;潘绍飞
【作者单位】西南交通大学机械工程学院，成都610031;西南交通大学机械工程学院，成都610031;西南交通大学机械工程学院，成都610031;西南交通大学机械工程学院，成都610031
【正文语种】中 文
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【中图分类】TH432.1
轴流风机作为一种广泛运用的流体机械，在工程实际中发挥着重要作用，但同时也引起了较大的噪声污染，其中气动噪声是轴流风机的主要声源［1］，它是由旋转叶片在转动过程中与气流相互作用而产生的。旋转叶片的气动噪声可以分为两类，一类是离散噪声，离散噪声与叶片的旋转频率相关，有时也称其为旋转噪声；另一类是宽带噪声，宽带噪声受叶片上的脉动压力影响，表现为一种无明显主频的宽频噪声［2］。离散噪声的大小取决于叶片的几何尺寸、叶片的运动状态和叶片上的气动载荷等因素，而宽带噪声的大小主要由叶片紊流附面层的流体状况决定。
国内外已对旋转叶片的气动噪声开展了较多的研究。刘晓良等研究风机蜗壳宽度对气动噪彼得德鲁克
声的影响［1］。张亚东等进行车用交流发电机旋转叶片气动噪声的实验研究，并分析气动噪声的阶次特性［3］。欧阳华等基于涡声理论分析低速轴流风机的气动噪声［4］。胡俊伟等分析不等距叶片作用下的气动噪声规律［5］。文献［6］对开式风机在不同转速工况下的气动噪声进行测量，得出气动噪声具有一定指向规律的结论。文中在已有研究的基础上，基于FW-H声波波动方程、Fluent软件和Lighthill声类比理论对某型轴流风机气动噪声的噪声特性进行深入研究。
某型轴流风机示意图如图1（a）所示，已知风机的直径为400 mm，叶片数量为5个。文中分别针对不同直径风机的气动噪声进行研究，用Fluent仿真软件对原有的模型进行缩放，建立不同直径下的三维模型，如图1（b）所示。缩放后的轴流风机模型直径分别为100 mm、200 mm和400 mm。夹具装配图
对轴流风机的气动噪声计算采用FW-H的积分方法，其中边界条件设置如图2所示，Z轴垂直于纸面向外。整个计算区域分为静止区域与滑移区域两个部分，两个区域的交界面设置为interface边界条件，风机外壳、叶片及中心轴均设置为壁面边界。实验中气流沿Z轴反方向进入风机，气流入口一侧设置为压力入口边界，气流出口一侧设置为压力出口边界，轴
流风机旋转方向如图2所示。不同的工况条件下，风机旋转速度分别设置为750 r/min、1 500 r/min和3 000 r/min。为了提高数值模拟的精确度，对整个计算区域用非结构进行网格划分，整个区域内的最大网格尺寸为2 mm。
轴流风机叶片旋转具有周期性，叶片对气流的激扰同样具有周期性，因此叶片与气流作用引起的气动噪声分为两类，一类是与气流通过频率有关的噪声，这种噪声会在某一特定频率下出现峰值，称其为离散噪声；另一类是与叶片表面的脉动压力有关的噪声，由于叶片表面的脉动压力是一种随机载荷，这种噪声并没有明显的峰值，在整个频率范围内比较均匀，称其为宽带噪声，离散噪声与宽带噪声都属于面声源性质的噪声［7］。Farassat把FW-H方程有关面声源的方程描述为
式中P为声压，ρ0为未经扰动的空气介质密度，c0为未经扰动的声速，Vn为运动物体速度在其表面的法向分量，li为物体表面对流体的法向作用力沿xi轴方向的分量。
式（1）右端的第一项为质量移动效应导致的单极子声源，其影响因素有物面厚度的变化规律以及物体的运动速度Vn，其也被称为厚度噪声；第二项为旋转叶片表面的起伏应力作用在流体上进而产生的偶极子声源，其受流体与固体表面的非定常作用力pijnj等因素的影响，
这种与气动载荷有关的噪声有时也被称为载荷噪声。
2.1 厚度噪声的声压计算公式
预先定义厚度噪声的声压为Pt，根据式（1）得到旋转叶片厚度噪声的声波方程为
解得其时域解［2］为
其中Ma为声源运动马赫数，r为辐射矢径，Mar为声源运动马赫数在辐射矢径r上的投影，表示由声源指向接收点的单位矢量，M˙ai为声源马赫数导数在xi方向上的分量。
2.2 载荷噪声的声压计算公式
预先定义载荷噪声的声压为P1，根据式（1），可得到旋转叶片载荷噪声的声波方程为
解得其时域解为
式（5）中l˙i为相对时间τ的载荷导数，lr为l在接收点方向上的投影，li和Mai分别为l和Ma在xi方向上的分量。式（3）和式（5）中与叶片运动有关的量Vn、r、Mai、Mar、M˙ai和与
叶片气动载荷有关的量li、lr、l˙i都是叶片方位角和叶片弦向、径向位置以及推迟时间的函数，可通过空气动力学计算或试验得到。
通过Fluent数值模拟得到的轴流风机旋转叶片上的压强分布计算结果如图3（a）、图3（b）所示。
旋转叶片的最大静压力分布在叶片的压力面（叶片向前推开空气的叶面）上，压力面推开叶片运动方向前方的空气，因为叶片外边缘的速度较快，推开空气时的相互作用力大，则静态压力主要分布在压力面的外边缘且先接触空气的区域。而叶片上的脉动压力主要分布在叶片两侧的外边缘上，吸力面（压力面的反面）上的脉动压力比压力面上的要大。这是由于旋转叶片转过后，叶片后方的气体填充叶片扫过的区域，而叶片前方的气体则通过叶片与轴流风机的外壁之间的缝隙流向叶片后方，在叶片后方的边缘处形成强烈的湍流，并诱发了大量的旋涡，湍流与旋涡使得叶片后方的气流处于一种高度的动荡状态，使得叶片吸力面的外边缘脉动压力较大。
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章宗祥轴流风机叶片旋转时，叶片与气流作用产生的旋涡在风机周围的分布情况如图4所示，旋涡主要集中在轴流风机外壁附近，这些旋涡是由气流与叶片的外缘相互作用导致的。当转速
在1 500 r/min时，气流在叶片边缘形成的旋涡还能在叶片后方的区域内脱落，并发展成可见的旋涡区域。但当转速增大到3 000 r/min时，旋涡从叶片外边缘脱落后，来不及进一步向轴流风机的中心轴发展，便被下一时刻旋转来的叶片阻挡在风机外壁面处，形成的旋涡为片状分布。
当轴流风机旋转时，叶片上的湍动能主要分布在靠近气流入口一侧，如图5所示。
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