基于数值模拟研究非均布风扇的尖峰噪声及其降噪机理

发布时间：2020-05-26 08:41

【摘要】：低速轴流风扇中强烈的尖峰噪声会给人带来极大的不适,因此在设计风扇时需要考虑降低尖峰噪声的设计方法。非均布风扇能有效地降低尖峰噪声的强度,因此已被广泛应用于航空工业及汽车工业。由于设计中对于舒适度的要求,工业设计上对低速风扇的尖峰噪声的提出了愈发严苛的要求,因此需要寻求降噪能力更好的非均布设计律。风扇的尖峰噪声主要来自于受力且高速旋转的叶片,因此针对非均布风扇的叶片力特性进行研究十分有必要。基于以上考虑,本文基于非定常数值模拟,对非均布汽车发动机冷却风扇中的流动特点、叶片力特性、及其声学模型与声学优化问题进行了详细的研究,并且辅以实验验证,主要研究内容包括:1.基于结构化网格对非均布风扇进行了非定常数值模拟。研究发现,风扇叶片压力面的高压区在叶中附近;湍动能集中在叶片的后缘附近,同时极度狭窄的叶片通道根部会产生一个高能湍流气团;轴向加速的气体集中在风扇的高叶高区域;模态分析方法显示,非均布风扇前后流场的震荡频域特性存在差异。2.基于数值模拟结果,研究了非均布风扇的叶片受力特点以及叶片间受力情况的差异,结果表明:风扇转动时,轴向力分量是主要成分,其他分量与轴向力分量震荡周期一致且形式相近;非均布风扇中,叶片力时均值对于不同节距的叶片通道来说存在差异,基于数值结果建立了该差异与叶片非均布分布律之间的模型;非定常载荷的脉动波形不因非均布设计而改变;从频域上看,非均布设计不改变风扇叶片受力的频域特性,而有效削减了支承脉动力在BPF及其倍频上的强度。3.基于CFD结果,通过Lowson发声模型研究了非均布风扇的声学特性,结果表明:非均布风扇中旋转叶片是主要的声源,声源呈现出下游强于上游的偶极子特性。基于非均布风扇各叶片声谐波的考察,提出了非均布风扇的降噪机理是叶片声谐波的相位抵消,而该抵消的原因是叶片周向非均布、叶片定常载荷差异、以及叶片等效声源的周向偏置。4.基于非均布风扇中叶片间定常载荷的差异,建立了基于Lowson模型的半混合声学预测方法,提出了非均布分布律的降噪模型。以上模型与方法显著地节省了非均布设计时的混合方法过程成本;与实验数据及混合方法计算结果的对比表明了上述方法与模型的有效性;基于降噪模型提出了优化设计结果,实验结果表明其相比原非均布设计,能够显著降低叶片通过频率的噪声。文章以数值模拟方法针对非均布风扇进行了详细的流场分析和噪声预测,结果对非均布风扇的设计具有重要的工程指导作用。
【图文】：

冷却风扇,气动噪声,汽车发动机,噪声

上海交通大学硕士学位论文第一章引论.1 研究背景汽车发动机中，，因为发动机冷却液管道散热的需要，配有特殊设冷却风扇（下面简称为冷却风扇），其核心部件包括风扇叶片环，机，以及支架，其结构示意图如图 1-1 所示。冷却风扇所产生的机中的主要噪声源之一[1]。在冷却风扇中，精密的装配使得其他震动及摩擦噪声，或是驱动电机的电磁噪声）相比气动噪声来说并却风扇的噪声中，气动噪声是最重要的噪声。因此，研究冷却风对基于噪声考虑的汽车发动机设计有十分重要的意义。

频谱,非均布,风扇,声压级

以本文所研究的非均布风扇为例，图 1-2 给出了某型非均布风扇声压级的频谱。由图，除了在较低频率内噪声声压级较弱之外，从 100Hz 左右开始，在较宽的频带中都存在比较频域性质平缓且连续的宽频噪声，如图1-2中红色虚线所示。- 12 -
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U464

【参考文献】