轴流风机仿生流动控制降噪试验及数值模拟

发布时间：2016-04-27 11:51

第 1 章   绪论

1.1   研究背景及意义
轴流风机作为工业生产和日常生活中的流体（旋转）机械，在国民经济中起到关键的作用，并应用到各种场所和行业，如轨道交通、家用电器、汽车行业、公路隧道和各类电子设备的散热等[1-5]。目前，我国各类风机的使用总数达到 2100 万台，其中在矿业资源开发上风机用电量占采矿用电的 30%，钢铁工业的风机用电量占生产用电的 20%，交通运输业中汽车发动机冷却风扇的消耗功率占发动机输出功率的 5%～12%[6]。随着我国经济的高速发展和经济规模的扩大，能源的需求日剧增加，能源的供需矛盾日益突出，轴流风机的功耗基数大，开展其节能降耗的研究成为广大科研工作者需要解决的难题。 在工业化和现代化的今天，噪声已经成为影响人们正常学习、生活和工作的重要污染，人们长时间暴露在噪声污染的环境中，不仅影响身心健康，而且会诱导各种疾病的产生。低压轴流风机目前普遍存在工作效率低、噪声值较高等问题。目前，越来越多的科研工作者开始研究如何提高风机的工作效率和降低其噪声[7-10]。轴流风扇的噪声主要可归结一下几大类：气动噪声、气固耦合噪声、机械结构振动噪声、电机噪声，其中气动噪声占主要部分，相对而言难以有效的控制[11]。降低风扇噪声的主要途径有两种：一是控制噪声源来降低噪声，利用流体力学和空气动力学原理对风扇的主要工作部件进行有效设计，控制边界层以及内部涡流的复杂结构，进而降低噪声。二是控制噪声传播路径降低，采用吸声、隔声、消声、阻尼减振等传统控制技术。相比较而言，前者技术难度较大，目前尚未有成熟的有效的方法；后者只能在一定程度上降低噪声，并未从根本上降低风扇的噪声问题，降噪效果不显著。 仿生学在许多科学研究和技术工程领域都取得了巨大的成就。随着现代科学技术的发展和工程实际的需要，在众多的工程技术领域也相应地开展了对口的技术仿生研究[12]。因此，在轴流风扇的设计和优化过程中，运用仿生学原理，寻找新技术、新思路来提高其气动性能、工作效率，降低气动噪声，对于节能减排和可持续发展具有重要意义。 
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1.2   轴流风机研究现状
弯掠叶片定义来源于对航空机翼的研究。叶片在周向顺时针旋转方向倾斜称为“前弯”，逆时针方向旋转倾斜为“后弯”；叶片在轴向逆来流方向倾斜称为“前掠”，顺来流方向称为“后掠”，如图 1.1 所示[13]。弯掠叶片与气流相互作用时，不仅存在轴向和周向力，还存在径向力。近年来，弯掠叶片在轴流风机叶片上的优良性能已被广大研究者 所证实。叶片弯掠设计不仅可以有效的控制流动损失、提高气动效率、降低气动噪声，而且还能在一定程度上提高风机稳定工作区域[14-18]。 上海交通大学李杨[19]对低压轴流风机周向弯曲叶内的流动特征进行了详细的实验和数值模拟研究，通过遗传算法和人工神经网络结合的优化设计方法，对 T35 型低压轴流风扇叶片进行了优化设计，如图 1.2 所示；研究发现，周向前弯 6.1°优化叶轮与原型叶轮相比在气动和声学性能上都有明显的提高，全压系数提高了 3.56％，A 级声压级降低了 6dB，稳定工作区增加了 36.4%。 T.Wrigh 和 W.E.Simmons[20]对低压轴流风机研究发现，气动和声学实验表明前弯、前掠叶片提高了风扇的体积流率和全压；相比原型风扇，平均声压值降低了 7dB。如图1.3 所示，法国学者 Hurault[21]等通过实验和数值模拟相结合的方法分析发现，前掠叶片能减小速度在径向上的分量，相反，后掠叶片却增加速度在径向上的分量；弯掠叶片对叶片下游的湍动能有重要的影响。 
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第 2 章   轴流风机叶片仿生设计

2.1   风机叶片仿生设计学术思想 
大自然界中，生物经过亿万年的进化，形成了具有与环境相适应的躯体特征。对鱼类而言，其附加器官鱼鳍必然与其主流流场相适应的。鱼在游动的过程中，通过肌肉对鱼鳍的摆动进行主动控制，鱼鳍在长期的被动环境中，久而久之必然进化成和鱼体周围流场相适应的优良构形以减小鱼鳍在流动过程中所受到的阻力。国内外研究者关注了鱼鳍的水动力学性能，通过应用流场可视化技术分析鱼鳍的摆动产生的尾涡结构[89-91]。如图 2.1 所示，对大部分鱼类而言，鱼鳍都是由刚性骨质鳍条和柔性皮肤连接而成，这种构形具有非光滑与柔性两种减阻特性的生物耦合系统必然会对周围的流场形成良好的适应性和协调性。 早有研究表明，刚性肋条表面和柔性表面均可以抑制湍流猝发，降低壁面法线方向的速度梯度及湍动能的损耗，降低壁面湍流强度，削弱壁面脉动压力，减小壁面阻力和降低噪声的作用。因此，基于柔性及肋条形貌特征的鱼鳍仿生表面应用于轴流风机叶片的设计，可能会获得更加优良的减阻降噪性能。 
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2.2   仿生风机叶片正交试验方案

试验优化设计是在最优化思想的指导下，通过广义试验进行最优设计的一种优化方法，也是应用数学的一个新兴分支[92]。它从不同的优良性出发，合理的设计试验方案，有效控制试验干扰，科学处理试验数据，全面进行优化分析，直接实现优化目标，已经成了现代优化技术的一个重要方面。 正交试验设计是研究多因素、多水平的一种设计方法。正交试验是根据正交性从全面试验中挑选出部分能反应全部试验特性的点进行试验，这些点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点。正交试验设计的基本程序是设计试验方案和处理试验结果。主要步骤为[92]：明确实验目的、确定试验指标、确定需要考察的因素及水平、选用合适的正交表、表头设计。 本试验的目的是为了探究叶片压力面的刚柔相间结构对风机气动和声学性能的影响，并获得在设计试验空间内的最优解。参考本实验室前期对轴流风机的研究，并综合考虑可行性和工程技术等因素，刚柔相间结构主要从肋条形态结构、肋条的高度、肋条的间距三个因素进行试验研究，同时每个因素选取三个水平。试验因素水平表见表 2.1： 

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第 3 章  仿生风机叶片气动性能试验 .... 21 
3.1  风机及其分类 ..... 21 
3.2  轴流风机主要气动参数 ......... 22 
3.3  气动性能试验 ...... 25
3.4  本章小结 .... 35 
第 4 章  仿生风机叶片气动噪声测试试验 ...... 37 
4.1  气动噪声源 ........ 37 
4.2  轴流风机噪声 ...... 38
4.3轴流风机噪声的主要物理量 ....... 40 
4.4 轴流风机噪声的评价 ....... 43 
4.5 气动噪声试验 ....... 44
4.6 试验结果分析 ....... 49
4.7 本章小结 .... 61 
第 5 章  仿生风机叶片模型数值模拟 .... 63 
5.1  CFD 前处理 ........ 63 
5.1.1  计算区域及网格划分 ....... 63 
5.1.2  数值模拟方法 ....... 65 
5.1.3  边界条件和求解设置 ....... 66 
5.2  模拟结果分析 ...... 68
5.3  机理分析 .... 71 
5.4  本章小结 .... 72 

第 5 章   仿生风机叶片模型数值模拟

本章应用 Fluent 软件对仿生风机叶片的气动性能进行数值模拟，风机叶片表面柔性材料对边界层流场结构的影响通过数值模拟的手段准确模拟存在较大的难度。本文模拟是将柔性表面简化成刚性表面，重点考察壁面结构对于风机内流场的影响机制。

5.1   CFD 前处理 
风机的具体尺寸参数见第 2 章，风机数值模拟风洞模型如图 5.1 所示，整个风洞模型分为四个区域，分别为：入口段、叶片转动、叶顶间隙流动和出口段区域。为了简化模型和提高网格划分的质量，忽略风机支架对流场的影响。 网格的划分和选择是数值分析的关键环节，同时也是保证获得理想结果的关键因素之一。构建合理、适合模型要求和相对简单的网格不仅能有效的提高工作效率，同时能加快计算的收敛。 为了保证网格对仿生风机叶片模型表面肋条结构的适应性，采用非结构四面体网格对计算区域进行离散。风机叶片表面进行局部加密，以保证可以更好的捕捉风机内部的流动情况和叶片表面的流场分布。网格划分采用 Hypermesh 软件，相比其他网格划分软件，Hypermesh 软件对 CAD 模型有良好的适应性、对几何模型的前处理功能比较强大、导入复杂的几何模型不容易失真。 网格的疏密在一定程度上决定了求解结果的准确性，因此在求解之前，要对计算域进行网格无关性分析。对于图 5.1 的计算模型来说，模拟结果的主要影响区域为叶轮段网格的疏密。如图 5.2 所示，本次模拟采用的是原型风机在 2320rpm 转速下不同网格数和流量对应关系图，随着网格数量的增加，风机出口流量达到一定值之后趋于稳定，且同试验结果较为吻合，可以作为本次分析的网格划分依据。 
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结论

（1）分析了基于鱼鳍形态及材料特性的刚柔相间结构表面用于风机叶片流场的可行性；采用高精度的 3D 打印技术，制备了风机叶片刚性表面模型，并保证了表面肋条结构不失真和较低的粗糙度。选用 EVA单面海绵泡沫单面胶带，粘贴于两肋条表面间，完成了试验样件制备。 
（2）采用 LW-9015-250 全自动风量及压力测量试验风洞对仿生叶片风机模型进行了气动性能测试，获得了流量-静压曲线、流量-功率曲线、流量-静压效率曲线。对比分析可知，仿生风机的最大静压和最大流量略有降低，但其功率消耗均明显低于原型风机，降幅约在 2%～4%；在工作电压为 7.5V 和 9.5V，同原型风机相比，大部分仿生叶片风机模型的最大静压效率得到了明显提高，其中电压为 7.5V 时，1、2 号仿生风机最大静压效率提高了 10.1%和 6.9%；电压为 9.5V 时，2、6、8、9 号仿生风机最大静压效率分别提高了 4.2%、3.4%、6.2%和 3.0%。 
（3）采用北京声望公司提供的声学测试仪器对仿生风机和原型风机在不同工作电压下的 A 记权声压级频谱和总噪声值进行了测试。通过对仿生风机和原型风机的 1/3倍频程频谱图对比分析发现，电压为 5.5V 时，风机的主要噪声为宽频噪声，离散噪声不明显；电压为 8.5V 和 11.5V 时，，在低频段出现了几处离散噪声点，仿生风机对宽频噪声和离散噪声均有显著的抑制作用，相比与离散噪声值，仿生风机宽频噪声的 A 声级的降低较为显著；在中高频段，A 声级较原型风机有明显的降低。由此可知，刚柔相间表面对涡流的产生和脱落均有抑制作用。
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参考文献(略)
 

本文编号：40827