當(dāng)今，噪聲污染問(wèn)題日益為人們所關(guān)注。軸流風(fēng)機(jī)的噪聲中機(jī)械噪聲、電磁噪聲在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下影響較小，氣動(dòng)噪聲是最主要部分且最難治理。通過(guò)噪聲頻譜分析可以知道，其噪聲主要分為寬帶噪聲（也稱渦流噪聲）和離散噪聲（也稱旋轉(zhuǎn)噪聲）。頻譜中的寬帶分量主要由于有隨機(jī)特性的脈動(dòng)力所引起，如紊流邊界層、葉片尾部的漩渦脫落、葉尖渦流和來(lái)流紊流等。頻譜中的離散分量主要由動(dòng)葉周期性地?cái)_動(dòng)空氣及其與靜葉交互作用所引起。
在風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要的技術(shù)指標(biāo)為風(fēng)機(jī)的全壓及流量，現(xiàn)在人們?cè)絹?lái)越關(guān)注其噪聲指標(biāo)，但是，如何快速有效地在設(shè)計(jì)階段就能比較準(zhǔn)確地預(yù)估噪聲，從而更好地為降噪服務(wù)，是人們多年來(lái)一直致力解決的。
目前的研究主要集中在氣動(dòng)噪聲上，也有從葉輪模態(tài)方向著手的。隨著計(jì)算流體力學(xué)( CFD)和計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)( CAA)的發(fā)展，對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲的數(shù)值預(yù)估也有了較大進(jìn)步。
1、噪聲數(shù)值預(yù)估現(xiàn)狀
現(xiàn)在對(duì)軸流風(fēng)機(jī)噪聲的預(yù)估有很多方法，但主要以經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)性的居多，初期的研究主要是實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)噪聲源、噪聲特性和影響噪聲的主要因素進(jìn)行了深入研究，并導(dǎo)出了在一定條件下實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式；后來(lái)在上世紀(jì)70年代至90年代，出現(xiàn)了一些簡(jiǎn)化理論模型，使噪聲預(yù)估工作上了一個(gè)新臺(tái)階；隨著計(jì)算流體力學(xué)逐步發(fā)展，對(duì)流場(chǎng)特性進(jìn)一步了解，計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)也逐步發(fā)展起來(lái)，但是，由于CAA方法需要流場(chǎng)的詳細(xì)紊流數(shù)據(jù)，而在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)條件下這是簡(jiǎn)直不太可能，計(jì)算量太巨大，折中方法是只考慮大渦的影響（LES模擬），細(xì)小的渦僅僅按某一應(yīng)力模型考慮，但由于噪聲能量在整個(gè)風(fēng)機(jī)能量中只占很小一部分，CFD計(jì)算的較小誤差容易引起噪聲計(jì)算較大的誤差，CAA正處于不斷發(fā)展階段。
(1)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃芏啵旅娼榻B從文獻(xiàn)2中得出的公式，從眾多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中歸納得出，軸流風(fēng)機(jī)噪聲輻射聲功率為：
式中：x為測(cè)點(diǎn)到聲源的距離。
該模型的誤差一般偏大。
(2) Lowson模型
給出了軸流風(fēng)機(jī)離散噪聲理論，它假定每個(gè)葉片上有一個(gè)向自由聲場(chǎng)輻射的點(diǎn)力，來(lái)研究動(dòng)葉與上下游靜葉之間相互作用產(chǎn)生的脈動(dòng)力所引起的噪聲輻射，提出了聲輻射的總聲功率和指向性曲線，主要設(shè)計(jì)參數(shù)都可以引入到該模型中，一旦作用于靜子和轉(zhuǎn)子列上脈動(dòng)力確定了，就可得出任意位置噪聲值。可是，由于軸向壓力梯度、徑向壓力梯度、變換的渦流角及可壓縮性的影響，通過(guò)孤立翼形尾跡數(shù)據(jù)對(duì)脈動(dòng)力的計(jì)算有較大差別。
(3) Lee尾跡脫落模型
設(shè)定葉片尾跡模式為經(jīng)典的卡門渦街，上下兩排漩渦的中心位置在0.6倍附面層厚度處，中心線距離為相鄰?fù)慌配鰷u之間距離的0. 281倍，并采用薄翼型理論得出了由尾渦產(chǎn)生的表面壓力波動(dòng)和升力，其尾跡模式?jīng)Q定了噪聲強(qiáng)度及頻譜模式。該模型在確定葉片尾緣邊界層參數(shù)時(shí)采用了平板模型近似。
(4) Fukano尾跡脫落模型
提出了一種簡(jiǎn)單的物理模型來(lái)解釋從軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片后沿脫落渦的紊流噪聲。其主要參數(shù)為尾跡寬度，與轉(zhuǎn)子葉片尾緣附面層位移厚度密切相關(guān)，是控制紊流噪聲的主要參數(shù)。可用于估算聲壓級(jí)和頻譜，但其頻譜估算比較粗糙。
(5)計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)(CAA)方法
CAA技術(shù)是在CFD基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，從CFD數(shù)據(jù)出發(fā)，對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)LES大渦模擬，得出流場(chǎng)壓力、密度、速度變化，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，得出聲學(xué)數(shù)據(jù)。或者直接對(duì)N-S方程和聲學(xué)方程進(jìn)行求解，這是CAA的發(fā)展方向。但是，由于所要求的計(jì)算機(jī)資源現(xiàn)階段難以滿足，太昂貴費(fèi)時(shí)，所以正處于發(fā)展階段。
2、CFD在噪聲預(yù)估中的運(yùn)用
由以上分析可以看出，包括Lee及Fukano的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿狈Φ木褪侨~片尾跡流場(chǎng)數(shù)據(jù)，均采用了不同形式的平板估算，而CFD恰好能滿足這方面的要求，兩者的結(jié)合應(yīng)能提高估算精度。現(xiàn)以Fukano模型為例。
在Fukano提出的模型中，風(fēng)機(jī)發(fā)出的總聲功率
在該模型中特征長(zhǎng)度D是最重要的參數(shù)，定義為轉(zhuǎn)子葉片尾緣厚度、吸力面及壓力面附面層位移厚度之和。但是由于葉片旋轉(zhuǎn)的影響，無(wú)法給出準(zhǔn)確的附面層位移厚度。Fukano給出了一個(gè)按零壓力梯度條件下由平板理論給出的紊流附面層位移厚度公式：
D=Dt+(0.37 C/4) Rec
-0.2 (3)
式中：Dt為轉(zhuǎn)子葉片尾緣厚度。
現(xiàn)在由于計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，對(duì)風(fēng)機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬已顯得比較成熟和方便，尤其在工程上也易于推廣和普及。雖然在CFD中，直接求解N-S方程還是太費(fèi)時(shí)而不易實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)引進(jìn)一些紊流模型，求解結(jié)果還是比較令人滿意的。
為了解決式(3)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算附面層位移厚度的問(wèn)題，可以采用CFD方法進(jìn)行計(jì)算，由于不需要對(duì)湍流進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，不需要采用耗費(fèi)較多機(jī)時(shí)的LES大渦模擬方法，采用通常的k-e模型，較易快速得出結(jié)果，有利于工程實(shí)現(xiàn)。
在CFD中，從三維流場(chǎng)壓力數(shù)據(jù)可以根據(jù)定義計(jì)算附面層壓力厚度。這樣結(jié)合Fukano模型和CFD方法，可以方便地對(duì)風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行預(yù)估。
3、噪聲預(yù)估值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比
本文中利用兩個(gè)差別較大的軸流風(fēng)機(jī)，表1為樣機(jī)主要參數(shù)，圖1為樣機(jī)A的三維轉(zhuǎn)子模型，圖2為樣機(jī)A的流場(chǎng)相對(duì)速度等值線（在半葉片高回轉(zhuǎn)面上）。
表2為噪聲預(yù)估值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，可以看出，噪聲值與預(yù)估值相差約在2.6dBA以內(nèi)，工程估算時(shí)此精度一般是可以接受的。
噪聲預(yù)估的精度，取決于多個(gè)方面，首先噪聲模型是半經(jīng)驗(yàn)的，其對(duì)低壓風(fēng)機(jī)的模擬要準(zhǔn)確一些；其次，網(wǎng)格密度及是否考慮前后導(dǎo)葉，也很大影響數(shù)值模擬的精度。
4、結(jié)論
采用CFD提供的附面層位移厚度和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行軸流風(fēng)機(jī)的噪聲預(yù)估，既擺脫了原模型對(duì)附面層平板估算的依賴，又較好地滿足工程設(shè)計(jì)中對(duì)噪音指標(biāo)的需要，更避免了計(jì)算氣動(dòng)聲學(xué)方法的大計(jì)算量和程序復(fù)雜的難點(diǎn)，是工程上在噪聲預(yù)估準(zhǔn)確度和難度之間的較好平衡。
三門峽富通新能源銷售風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)設(shè)備。
