轴流散热风扇转静干涉噪声仿生控制研究
发布时间：2021-10-18 09:39
轴流式散热风扇广泛应用于工业生产及人们的日常生活中,风扇在运行过程中不可避免的会产生噪声,其中气动噪声占主要成分,如何降低风扇气动噪声引起了众多学者的注意。随着仿生学的发展,运用仿生学思想降低风扇运行过程中的气动噪声问题,是近年来的研究热点。本文基于仿生学流动控制理论,对NACA0012翼型进行仿生学设计,通过数值模拟及试验等研究方法,探索仿生叶片的降噪性能及降噪机理,主要研究工作如下:（1）阐述国内外关于风扇叶片降噪研究现状,对比传统降噪措施以及仿生学降噪方法的优劣。得出仿生降噪方法相比较传统降噪方法在降噪能力以及未来发展方面都具有巨大优势。前缘波状以及尾缘锯齿结构的仿生叶片具有良好的降噪能力,以及较大的发展潜力。确定本文所研究的仿生叶片结构为前缘波状尾缘锯齿结构。（2）阐述翼型叶片数值模拟方法,确定本文对翼型叶片气动噪声的数值模拟方法为大涡模拟结合FW-H声类比模拟。选择NACA0012为本文数值模拟的叶片,确定叶片数值模拟计算域并划分四种不同网格数量的网格,通过网格无关性检验最终确定464万网格数量为本文数值模拟的网格数量。通过数值模拟分析研究NACA0012翼型噪声产生机理,结...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：125 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
鲸鱼鳍状肢前缘波状突起结构[39]
7或飞行无声理论的研究，得出其减阻降噪规律，并将其应用在风机叶片及翼型上设计出仿生叶片从而上实现降噪。Klan等[36]通过直接扫描猫头鹰翅膀得到其三维模型如图1.1所示，由此拟合出叶片各个截面的轮廓，并模仿猫头鹰翅膀表面绒毛结构在光滑叶片表面施加同样的结构，从而构建出一款仿生叶片，经过分析发现，仿生叶片在高雷诺数中等迎角工况下的分离涡强度显著下降，表面绒毛结构的存在增加了叶片表面粗糙度，提高了边界层的转捩，也减小了涡流的尺寸和间隔。对于仿生降噪风扇叶片，目前研究主要集中在波状前缘，锯齿状尾缘，以及风扇叶片表面非光滑结构等方面。（1）波状前缘及锯齿状尾缘结构在降低风机噪声方面的应用前缘波状结构主要仿生思想来源于座头鲸的鳍状肢，座头鲸的鳍状肢前缘具有较大的结节状如图1.2所示。跟据座头鲸前缘鳍肢波状突起，Rostamzadeh等[37]对NACA0021翼型叶片前缘设计为波状结构(图1.3)，通过风洞实验研究仿生前缘波状叶片的气动性能，结果表明，前缘波状结构可以有效阻止大攻角下的失速，但并没有发现能够提高其升比。国内学者[38]根据座头鲸的鳍状肢结构以及鸟类翅膀尾缘，鱼鳍边缘的锯齿形结构对轴流式风机叶片进行仿生改进；设计出仿生锯齿型叶片边缘结构的风机叶片；并通过理论分析和试验的方法，证实了仿生结构的降噪性能。（a）（b）图1.1仿猫头鹰叶片构建[40]（a）猫头鹰翅膀；（b）猫头鹰翅膀三维扫描结果图1.2鲸鱼鳍状肢前缘波状突起结构[39]
8图1.3仿座头鲸鳍肢前缘波状结构翼型叶片[42]R.E.Longhouse[40]分别在风扇叶片吸力面的不同位置设置了仿生锯齿结构，通过试验分析发现，仿生锯齿结构能够有效降低涡脱落噪声，但不同位置的仿生锯齿结构，对风扇性能有不同的影响，其中位于中缘处的锯齿能够提高风扇效率约3%左右，而尾缘、前缘和后缘处的仿生锯齿结构则会导致风机性能降低。FlorianZenger等[41]人按照叶片元素理论(baldeelementtheory)设计一款风扇，在前缘做出正弦曲线，其波长与幅值随弦长增加而增加，幅值为弦长5%（如图1.4）。分别在进气口添加湍流发生器，与未添加湍流发生器对比，发现与直前缘相比波状前缘气动性能略有降低。在湍流情况下，前缘波状叶片与直前缘相比平均总声压级降低大约1dB。在自由来流情况下，平均总声压级的变化与湍流情况相比转向高流量区，且声压级最大变化达1.8dB。通过声谱研究发现，低频宽频噪声有所降低。进一步分析发现与直前缘相比，波状前缘能降低叶片所受的不稳定力至更低的值。在仿生耦合方面应用方面的研究，国内学者[42]基对长耳鸮的体表形态特征进行提取，并基于工程仿生学的基本方法将长耳鸮的仿生耦合特征应用于风机叶片，通过研究仿生耦合叶片气动及噪声性能，证实了仿生耦合尾缘锯齿叶片风扇具有减阻降噪的功能。对仿生风扇试验研究方面，国内学者[43]通过控制风扇叶片前缘引导线的线型，设计了前缘引导线为圆弧，尾缘引导线各不相同的风尚叶片，尾缘引导线分别为圆虎直线和折线。结果表明，在试验研究工况下下，仿生风机均体现了优异的声学性能，其中，前缘、尾缘引导线均为样条曲线的仿生风机在试验工况下具有最为显著的低噪声性能，与叶片相对较大的原型风机相比，其气动噪声降低效果明显。
【参考文献】：
期刊论文
[1]参数对风力机气动噪声的影响研究[J]. 司海青,王同光,吴晓军. 空气动力学学报. 2014(01)
[2]周向后弯叶片对轴流泵噪声辐射特性的影响[J]. 刘鑫,刘宇,石勇,王天萧. 噪声与振动控制. 2013(01)
[3]周向前弯叶片对轴流风扇气动声学性能影响[J]. 李杨. 航空动力学报. 2009(07)
[4]旋成体仿生凹环表面减阻试验分析及数值模拟[J]. 张成春,任露泉,王晶. 吉林大学学报(工学版). 2007(01)
[5]风机降噪研究的现状与分析[J]. 刘秋洪,祁大同,曹淑珍. 流体机械. 2001(02)
[6]采用附加导叶的轴流式风机气动噪声研究[J]. 吕文灿. 华中理工大学学报. 1995(S1)
[7]大涡模拟的代数模型[J]. 苏铭德. 力学学报. 1987(S1)
[8]低噪声风机的设计原则[J]. 朱之墀,李永锡. 流体工程. 1985(07)
博士论文
[1]薄翼型叶片仿生流动控制降噪及其应用研究[D]. 王晶.吉林大学 2017
[2]汽车发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏流动的试验研究及数值模拟[D]. 芮宏斌.长安大学 2015
[3]基于信鸽体表的减阻降噪功能表面耦合仿生[D]. 张春华.吉林大学 2008
硕士论文
[1]发动机冷却风扇降噪方法研究及结构改进设计[D]. 李娜.江苏大学 2017
[2]风冷冰箱风扇的气动噪声仿真与降噪研究[D]. 刘璐.昆明理工大学 2017
[3]带导向筋发动机冷却风扇气动性能与气动噪声研究[D]. 王新玲.沈阳航空航天大学 2017
[4]轴流风机降噪方法数值研究[D]. 吴凯旋.华中科技大学 2016
[5]基于CFD/CAA的轴流风扇噪声分析与降噪设计[D]. 周翔.电子科技大学 2016
[6]轴流风机仿生流动控制降噪试验及数值模拟[D]. 章甘.吉林大学 2015
[7]工程机械冷却风扇流场特性与气动噪声研究[D]. 汤黎明.吉林大学 2014
[8]散热风扇噪声分析及控制方法研究[D]. 周雪.电子科技大学 2013
[9]发动机冷却风扇叶片参数的研究和优化[D]. 唐钊.华南理工大学 2012
[10]电子器件冷却风扇叶片仿生柔性表面减阻降噪试验研究[D]. 张雪鹏.吉林大学 2012
本文编号：3442595
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：125 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
鲸鱼鳍状肢前缘波状突起结构[39]
7或飞行无声理论的研究，得出其减阻降噪规律，并将其应用在风机叶片及翼型上设计出仿生叶片从而上实现降噪。Klan等[36]通过直接扫描猫头鹰翅膀得到其三维模型如图1.1所示，由此拟合出叶片各个截面的轮廓，并模仿猫头鹰翅膀表面绒毛结构在光滑叶片表面施加同样的结构，从而构建出一款仿生叶片，经过分析发现，仿生叶片在高雷诺数中等迎角工况下的分离涡强度显著下降，表面绒毛结构的存在增加了叶片表面粗糙度，提高了边界层的转捩，也减小了涡流的尺寸和间隔。对于仿生降噪风扇叶片，目前研究主要集中在波状前缘，锯齿状尾缘，以及风扇叶片表面非光滑结构等方面。（1）波状前缘及锯齿状尾缘结构在降低风机噪声方面的应用前缘波状结构主要仿生思想来源于座头鲸的鳍状肢，座头鲸的鳍状肢前缘具有较大的结节状如图1.2所示。跟据座头鲸前缘鳍肢波状突起，Rostamzadeh等[37]对NACA0021翼型叶片前缘设计为波状结构(图1.3)，通过风洞实验研究仿生前缘波状叶片的气动性能，结果表明，前缘波状结构可以有效阻止大攻角下的失速，但并没有发现能够提高其升比。国内学者[38]根据座头鲸的鳍状肢结构以及鸟类翅膀尾缘，鱼鳍边缘的锯齿形结构对轴流式风机叶片进行仿生改进；设计出仿生锯齿型叶片边缘结构的风机叶片；并通过理论分析和试验的方法，证实了仿生结构的降噪性能。（a）（b）图1.1仿猫头鹰叶片构建[40]（a）猫头鹰翅膀；（b）猫头鹰翅膀三维扫描结果图1.2鲸鱼鳍状肢前缘波状突起结构[39]
8图1.3仿座头鲸鳍肢前缘波状结构翼型叶片[42]R.E.Longhouse[40]分别在风扇叶片吸力面的不同位置设置了仿生锯齿结构，通过试验分析发现，仿生锯齿结构能够有效降低涡脱落噪声，但不同位置的仿生锯齿结构，对风扇性能有不同的影响，其中位于中缘处的锯齿能够提高风扇效率约3%左右，而尾缘、前缘和后缘处的仿生锯齿结构则会导致风机性能降低。FlorianZenger等[41]人按照叶片元素理论(baldeelementtheory)设计一款风扇，在前缘做出正弦曲线，其波长与幅值随弦长增加而增加，幅值为弦长5%（如图1.4）。分别在进气口添加湍流发生器，与未添加湍流发生器对比，发现与直前缘相比波状前缘气动性能略有降低。在湍流情况下，前缘波状叶片与直前缘相比平均总声压级降低大约1dB。在自由来流情况下，平均总声压级的变化与湍流情况相比转向高流量区，且声压级最大变化达1.8dB。通过声谱研究发现，低频宽频噪声有所降低。进一步分析发现与直前缘相比，波状前缘能降低叶片所受的不稳定力至更低的值。在仿生耦合方面应用方面的研究，国内学者[42]基对长耳鸮的体表形态特征进行提取，并基于工程仿生学的基本方法将长耳鸮的仿生耦合特征应用于风机叶片，通过研究仿生耦合叶片气动及噪声性能，证实了仿生耦合尾缘锯齿叶片风扇具有减阻降噪的功能。对仿生风扇试验研究方面，国内学者[43]通过控制风扇叶片前缘引导线的线型，设计了前缘引导线为圆弧，尾缘引导线各不相同的风尚叶片，尾缘引导线分别为圆虎直线和折线。结果表明，在试验研究工况下下，仿生风机均体现了优异的声学性能，其中，前缘、尾缘引导线均为样条曲线的仿生风机在试验工况下具有最为显著的低噪声性能，与叶片相对较大的原型风机相比，其气动噪声降低效果明显。
【参考文献】：
期刊论文
[1]参数对风力机气动噪声的影响研究[J]. 司海青,王同光,吴晓军. 空气动力学学报. 2014(01)
[2]周向后弯叶片对轴流泵噪声辐射特性的影响[J]. 刘鑫,刘宇,石勇,王天萧. 噪声与振动控制. 2013(01)
[3]周向前弯叶片对轴流风扇气动声学性能影响[J]. 李杨. 航空动力学报. 2009(07)
[4]旋成体仿生凹环表面减阻试验分析及数值模拟[J]. 张成春,任露泉,王晶. 吉林大学学报(工学版). 2007(01)
[5]风机降噪研究的现状与分析[J]. 刘秋洪,祁大同,曹淑珍. 流体机械. 2001(02)
[6]采用附加导叶的轴流式风机气动噪声研究[J]. 吕文灿. 华中理工大学学报. 1995(S1)
[7]大涡模拟的代数模型[J]. 苏铭德. 力学学报. 1987(S1)
[8]低噪声风机的设计原则[J]. 朱之墀,李永锡. 流体工程. 1985(07)
博士论文
[1]薄翼型叶片仿生流动控制降噪及其应用研究[D]. 王晶.吉林大学 2017
[2]汽车发动机冷却风扇叶顶间隙泄漏流动的试验研究及数值模拟[D]. 芮宏斌.长安大学 2015
[3]基于信鸽体表的减阻降噪功能表面耦合仿生[D]. 张春华.吉林大学 2008
硕士论文
[1]发动机冷却风扇降噪方法研究及结构改进设计[D]. 李娜.江苏大学 2017
[2]风冷冰箱风扇的气动噪声仿真与降噪研究[D]. 刘璐.昆明理工大学 2017
[3]带导向筋发动机冷却风扇气动性能与气动噪声研究[D]. 王新玲.沈阳航空航天大学 2017
[4]轴流风机降噪方法数值研究[D]. 吴凯旋.华中科技大学 2016
[5]基于CFD/CAA的轴流风扇噪声分析与降噪设计[D]. 周翔.电子科技大学 2016
[6]轴流风机仿生流动控制降噪试验及数值模拟[D]. 章甘.吉林大学 2015
[7]工程机械冷却风扇流场特性与气动噪声研究[D]. 汤黎明.吉林大学 2014
[8]散热风扇噪声分析及控制方法研究[D]. 周雪.电子科技大学 2013
[9]发动机冷却风扇叶片参数的研究和优化[D]. 唐钊.华南理工大学 2012
[10]电子器件冷却风扇叶片仿生柔性表面减阻降噪试验研究[D]. 张雪鹏.吉林大学 2012
本文编号：3442595
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