低压轴流风机噪声的数值预估.pdf

低压轴流风机噪声的数值预估 清华大学 王东宝 吕 键 黄东海 朱之墀 摘 要 采用流场三维数值模拟结果 得到叶片边界层数据 再用尾流脱落模型进行 低压轴流风机的噪声预估 两个样机实验表明 采用这种方法得到的预估结果和实验结果 比较吻合 关键词 低压轴流风机 噪声预估 数值模拟 尾流脱落模型 1 前言 随着轴流风机在通风 空调 冷却设备和交通 工具中的应用日益广泛 风机噪声日渐受到重视 但轴流风机噪声预估一直很困难 目前 轴流风机噪声预估的模型主要有两个 一个是Fukano等在1977年提出的尾流脱落模 型 1 认为噪声主是由叶片尾缘涡的脱落引起的 升力脉动产生的 它可以较好地预测宽带噪声 另 一个是叶片力模型 2 认为噪声的主要来源是作 用于叶片上的力的脉动 它能够较好地预测离散 噪声 本文选用了Lee发展的尾流脱落模型 3 在 这个模型中 Lee主要修正了涡的强度和关联面 积的计算方法 其中涡的强度是由边界层信息 包 括边界厚度和动量厚度 来计算的 因此 叶片边 界层信息是Lee模型计算噪声的关键 由于叶片 旋转 很难用其它方法给出边界层的信息 在Lee 模型中 叶片边界层的参数是用平板边界层来近 似的 它不能很好地反映风机工作的实际情况 本文采用轴流风机流场三维数值模拟的结果给出 叶片边界层的信息 使之更符合实际情况 本文使用的风机流场三维数值模拟程序软件 是清华大学流体声学实验室历经多年开发的 先 后用于离心 轴流风机 取得了令人满意的效果 本文用来预估和实验的两个样机主要参数如表1 所示 下面首先简要介绍Lee尾流脱落模型的预估 公式 然后讨论边界层参数对噪声的影响 并提出 我们的修正方法 最后给出两个样机的预估结果 和实验结果的比较分析 表1样机主要参数 风机 直径 mm 流量 m3 h 压头 Pa 转速 r min 1 2 400 500 4500 7600 100 139 1450 1450 2 Lee的预估公式 2 Lee提出的低压轴流风机噪声的总能量为 E B 24 a30 span KVVi 2 cbxbz n 1 1 n n 1 2 n 1 1 n c 2V n 2 n 1 2 dz 1 其中 Vi K 2 a tanh s 2 K V sa sa 2 2 aT u l T 3 T 2 stanh s 1 4 s b a 01281 5 b 016 u 016 l d 6 2 V Vi a 7 n n c 2 n c 2 8 n c 2 na 2 9 式中 B 叶片数 空气密度 a0 声速 K 尾数脱落涡的强度 V 相对叶片流速 52Vol 29 No 5 2001 FLUID MACHINERY 收稿日期 2000 11 20 Vi 对流速度 bx 常数 bx 0119 bz 常数 bz 0171 角频率 即风机噪声角频率 c 弦长 b a 脱流涡的横向 纵向间距 d 叶片厚度 u l 叶片尾缘上 下边界层厚度 u l 叶片尾缘上 下边界层动量厚度 在叶轮设计和转速确定后 Lee公式中尚未 能确定的只是叶片尾缘边界层参数 但对于旋转 叶轮来说 它们很难确定 Lee建议采用平板边界 层公式 4 即 u l 0137cRec 012 10 u l H 1 H H 1 u 11 式中 Rec 以c为特征长度的雷诺数 H 形状因子 取H 11286 显然 它们与旋转叶片边界层参数相差较远 因为这里没有反映叶片形状和风机工作状况的影 响 按下式计算E E 2 4 3 r 2 a0 P 2 12 最后计算声压级 SPL 10log10 P 2 P2 ref 13 3 边界层参数对噪声的影响 用平板边界层来近似叶片边界层是有很大误差 的 下面就边界层厚度和形状因子分别进行讨论 图1 叶片边界层厚度沿叶高的变化 以1 样机为例 由轴流风机流场三维数值模 拟得到叶片面上尾缘速度分布 再由此得到上 下 边界层厚度之和h 它和平板边界层厚度沿叶高 z的变化如图1所示 从图1可以看出平板边界层近似的h小于 6mm 而数值模拟的h大得多 h对噪声频率f 的影响很大 叶片辐射噪声频率f沿叶高z的变 化如表2所示 由平板边界层得到的频率范围为 1000 1600Hz 而数值模拟的频率范围为450 1050Hz 实验表明 对于辐射噪声频率 数值模拟 结果与实验结果比较吻合 表2辐射噪声频率f沿叶高z的变化 z mm 平板边界层 f Hz 数值模拟 f Hz 1715 3511 5216 7012 8718 106811 120113 133414 146411 157912 48018 61213 78317 101515 106019 叶片边界层的形状因子H值对噪声的影响 更大 文献 5 给出了叶轮机械中H值的估算公 式 H 1126 01785 D eq 1 11681 14 Deq Wmax Wout 15 式中 Wmax 吸力边最大速度 Wout 出口速度 图2 1 样机叶片形状因子H 图2所示为1 样机叶片的形状因子H的数 值模拟结果和平板边界层近似值沿叶高z的变 化 数值模拟值约为1175 而平板近似值为 11286 从边界层的理论可知 在H 1附近 边 界层动量厚度 值对H的改变很敏感 更应注 意的是 它对风机噪声级的影响很大 表3是1 样机的声压级数值模拟结果和实验结果 62 流 体 机 械 2001年第29卷第5期 表3不同形状因子近似下的声压级的影响 平板近似数值模拟实验结果 SPL dB A SPL dB Lin 6211 6319 7010 7011 7212 7417 平板近似结果与数值模拟结果相差7 8dB 后者与实验结果吻合良好 所以用数值模拟的边 界层参数代替平板近似的边界层参数是完全必要 的 4 噪声预估与实验结果的比较与分析 表4是1 和2 样机声压级的预估结果和实 验结果 表中Deq是分别取出口速度为流道平均 值和吸力边值时的计算值 两者对应的A声级和 线性声压级相差不大 约在1dB以下 而取流道平 均的值计算Deq值更合理一些 故以后都采用的 是流道平均值对应的结果 从表中可以看出 预估与实验的误差 A声级 在2dB以内 线性声压级约为3 4dB 应该说 对于轴流风机噪声的工程预估是可以接受的 表4风机噪声 1 样机 Deq 1175Deq 2实验结果 SPL dB A SPI dB Lin 7010 7011 7110 7115 7212 7417 2 样机 Deq 1165Deq 117实验结果 SPL dB A SPI dB Lin 7615 7714 7619 7718 7613 8013 图3 1 样机噪声1 3倍频谱 图3 4所示为1 和2 样机的1 3倍频噪声 谱 从图中可以看出除了在叶片通过频率BPF 对于本文的两个样机 BPF约为100Hz 附近的 峰值外 计算结果与实验结果的主要频带吻合很 好 即在500 1000Hz 图4 2 样机噪声1 3倍频谱 预估值和实验测量的误差除尾流脱落模型本 身外 尾流模型出口是自由流 而轴流风机出口是 有3对圆柱形支撑杆的 后者会增大噪声 另外 数值模拟时叶面处的网格应尽量密封 否则会影 响边界层参数的精度 本文预估时所采用的网格 间距为3mm 应该进一步减小 就可提高预估精 度 5 结束语 通过两个样机噪声预估和实测结果的比较 说明本文采用轴流风机流场三维数值模拟得到的 边界层信息 用于噪声尾流脱落模型是合理的 它 能更好地适用于小型低压轴流风机的噪声预估 参 考 文 献 1 Fukano T K odama Y Senoo Y Noise generated by low pressure axial flow fans Journal of Sound and Vi2 bration 1977 50 63 74 2 WS S F Su G Shah H S Modelling of the noise spectra of axil flow fans in a free field Journal of Sound and Vibration 1997 200 379 399 3 Lee C Chung M K K im YH A Prediction model for the vortex shedding noise from the wake of an airfoil of axial flow fan blades Journal of Sound and Vibration 1993 164 327 336 4 Schlichting H Boundary Layer Theory New Y ork McGraw Hill seventh edition 1968 5 Wilson D G The Design of High efficiency Turbo2 machinery and Gas Tuebine Cambridge MIT Press 1968 作者简介 作者简介 王东宝 男 1979年生 硕士研究生 通 讯地址 100084北京市清华大学工程力学系流体声学实验室 72Vol 29 No 5 2001 FLUID MACHINERY FLUID MACHINERY Vol 29 No 5 2001 ABSTRACTS Test Research of the Effect of Rotating Shroud Ring on Fan Noise and Air dynamic Characteristics Chen Liaoyuan 5 Noise and Characteristics tests are conducted on an axial flow fan and the effect of the clearance vortex of the fan is analysed It is shown that lower noise and improved characteristics can be achieved by attaching shroud ring to the fan Keywords fan clearance vortex noise air dy2 namic characteristics Study on Correlation of Performance Parame2 ters with G as Fraction for a Two screw Multi2 phase PumpLiu Lei 8 The volume efficiencey mechanical efficiency and total efficiency of a two screw multiphase pump were investigated in the case of pumping water air mixture The volume efficiency is nearly independent of gasfrac2 tion The mechanical efficiency and the total efficiency reduce consistently with the increase of gas fraction Keywords screw pump multiphase pump multi2 phase transport gas fraction pump performance Theoretical Study on Cavitation Characteris2 tics of Centrifugal Pump and Regulation of Pump Operation Gao Chuanchang et al 16 Based on the basic equation of NPSH the expres2 sion of the minimum necessary NPSH of centrifugal pump is derived The theoretical influence of the regu2 lation by discharge throttling and the speed regulation on the cavitation characteristics of centrifugal pump is studied and the application of the two regulation in mitigating and preventing cavitation of pump is anal2 ysed The studies can be used to guide practical pro2 jects Keywords centrifugal pump net positive suction head NPSH regulation of pump operation Series Design of Removable Screw Compressor Huang Jijun et al 20 Based on the features of screw compressor a se2 ries design plan for removable screw compressor is brought forward The compressor s requirement and designer s notion are introduced Keywords removable screw compressor system diagram diesel engine A Numerical Prediction Model for the Noise Generated From Low pressure Axial Fans Wang Dongbao et al 25 The information of boundary layer of a blade is obtained from a 3 D numerical simulation for flow field in an axial fan Then the noise of a low pressure axial fan can be predicted using a wa