式中 M r =
M i ri r
图2 噪声源模型 在得出关系式后利用试验研究可以分析声压
运用该模型进行风机噪声的数值模拟可以得 谱密度与各参数之间的相互关系 。可以看出 , 利用 到很多有价值的数值计算结果 , 改变其中一些参 该模型求解时 ,需要借助试验才能确定声压与各参 数 ,如叶片数 , 叶轮旋转速度和叶轮与尖劈之间的 间隙等来重新进行计算 , 并加以比较可以分析叶片 通过频率噪声的影响因素 , 对离心风机的降噪有指 导意义 ,尤其是对分析离散噪声的成因及其降噪方 数之间的具体关系 , 因此不能较好地从理论上直接 解决离心风机的噪声问题 。
对于风机而言 ,点源模型是一种十分有用的技术 。 这种近似的准则是 ,所要研究的最高频率的波长 λ 应该远大于声源的物理尺寸 L 。为满足这个准则 要求 ,对发射较高频率噪声的叶片 , 在应用点源模 型时 ,可将每个相关面积或相关体积视为一个小 尺寸的孤立声源 , 将风机叶片用沿着叶片展长分 布的孤立点源的总和来模拟 。目前有人研究了自 由声场旋转点声源的声学特性 ;Lowson 通过波动 方程推导出了运动点源产生的声场公式 , 该公式 适合于叶片上的每个微元体 , 然后对叶片上的所 有微元求积分就可以求出叶片运动产生的声场 。 但拟定叶片微元的点源尺寸是一个难题 , 而且一 般来说风机叶片都不是直叶片 , 甚至在空间有很 大扭曲 ,用点源模型进行模拟容易产生较大误差 。 另外 ,上述研究针对的是自由声场 , 而离心风机必 须考虑蜗壳的影响 。
p1 p2
及蜗舌与叶轮间隙 、 蜗舌倾斜角 、 蜗舌半径和叶轮 类型 、 叶片数目等参数 , 分别分析这些参数对离心 风机噪声的影响 ,但是这样进行分析和试验的工作 量太大 ,而且忽略了各个参数之间的相互影响 。
( 9)
Δ L p1 和 Δ L p2 — 式中 — — 进出气口引起的噪声增量
离心风机机壳的声学优化 利用此式可以对远场某点总噪声声压级增值 3 . 2 机壳的型线对于离心风机气动噪声而言是极 进行预测和优化 。国内一些试验已经证实了蜗壳 基频共振噪声在小流量工况下的重要性 。
Abstract : Analysis is carried out o n research met hods of aerodynamic noise for cent rif ugal fan . Numerical si mulatio n is summarized , and it s cac2 ulating met hod is not perfect . The t hinking of t hat cent rif ugal fan volute si mplified an ideal cas2 ing model wit h hard boundary is p ut forward in order to research fan aerodynamic noise . Ke y words : Cent rif ugal fan Aerodynamic noise Research met hod
离心风机气动噪声研究方法的分析与建议
析了几个具有比亥姆霍兹共振频率更高的谱峰 , 用 量 ,然后再对试验结果进行频谱分析以判断噪声源
试验手段绘出了蜗壳内规范化的声压分布 。后来 和传播途径 。在试验过程中通常都会先分别考虑 径向进口间隙 、 蜗壳的扩张角和扩张长度以 黄其柏又在此基础上提出了蜗壳基频共振引起的 轴向 、 噪声增量数学模型 , 最后推导出了在共振频率处远 场某点总噪声声压级增值为 0 . 1Δ l 0 . 1Δ L Δ ) L p = 10lg ( 10 + 10
W =
n =1
∑ ∫
sN
N
Ids =
1 2
n =1
3 Re ( P ・V ) d s ( 8) ∑ ∫
sN
N
可以利用加速度传感器得到蜗壳表面的振动 速度分布 , 然后通过公式计算出蜗壳表面的声压 , 或者可以通过风机进口或出口的声压计算进出口 辐射的声 功 率 , 然 后 得 到 总 合 成 声 功 率 。可 以 看 出 ,该计算方法可以计算蜗壳振动引起的噪声辐 射 ,也可以计算通过进出口管道向外传递的噪声 。 但是在测量进出口的声压时 , 由于气流的影响 , 使 测量受到较大的干扰 , 因此测定的声压不一定是真 实值 ; 另外 ,由于蜗壳表面各点振动极不均匀 , 不仅 仅是垂直于表面振动 , 甚至随时间变化 。测量时需 要测量大量点的振动速度 , 工作量大 , 而且可靠性 不高 ,因此该方法的应用也有局限性 。
3. 3 离心风机结构的优化试验方法
式中 , P ∞为适当的参考压力 , 对于离散噪声和 随机噪声的频谱噪声 pω 可有不同的定义 。Weide2
西 安 交 通 大 学 流 体 机 械 研 究 所
摘要 : 对目前离心风机气动噪声的研究方法进行 了分析 ,总结出数值模拟及其计算方法还不完善 。 提出了离心风机蜗壳简化成一个具有硬边界的理 想壳体模型的思路来研究风机气动噪声 。 关键词 : 离心式通风机 气动噪声 研究方法 中图分类号 : TH432 文献标识码 :A 文章编号 :1006 - 8155 ( 2005) 01 - 0003 - 04
壳表面声压的积分关系式
ci <( r) = -
宽频噪声也称作涡流噪声 , 它主要取决于对应 的流场 。至今尚未看到与离心风机蜗壳内部完整 流场所对应的声场解 , 所以涡流噪声很多都还是试 验研究或者理论上的定性分析 。从 Light hill 方程和 离心风机的具体边界条件出发可以得出基本方程 92ρ ′ 2 2 ρ ( 3) - co ′= Γ 9t 2 ρ 式中 ′ = ρ- ρ 0 , Γ 为源项 然后基于数量级分析的基础上 , 做 了 一 些 简 化 ,并将整个流场分成主流区和边界层区分别加以 讨论 。最后结合试验进行了分析 , 证明了定性分析 的可行性 。L . Mongeau 针对离心风机的宽频噪声 进行了建模 , 如图 2 所示 , 利用图示区域 ,Light hill 的求解理论可得出声压的波动方程 2 92ρ vivj 2 2 9ρ p - α 2 =9 y 9 9 t i yj 定律导出了以下关系式
2. 5 蜗壳声电类比模型
( 4)
然后利用傅立叶变换 、 量纲分析以及声学相似
很早人们就提出了声电类比方法并计算出了 离心风机的声共振频率 , 并用高阶模态分析方法分
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S pp ( f , V tip , < , x ) x 2 2 = G ( He , < , ) F ( S t , <) 2 2 D ρ ( ) [ 0 V tip ] D/ V ti p ( 5)
∫9n G ( R) d s +∫ 9n
so q so
9<
9G ( R)
q
d s ( 7)
式中 , G ( R ) 为自由场三维格林函数 。通过该 格林函数可以得到整个蜗壳向外辐射的声功率
静止平板尾缘紊流边界层声发射的理论计算 公式早已得出 , 但用于叶轮机械噪声还需进一步 改进 。陆桂林考虑了叶片旋转对声发射的影响 , 并结合有关试验资料 , 引入叶片几何参数的组合 关系式 , 推导出了一个有 z 个叶片的离心风机叶 轮叶片尾缘紊流边界层声发射计算公式 。这些都 是在无蜗壳假定下噪声计算公式的推导 。为了模 拟有蜗壳存在的情况 , Wan - Ho Jeon 在叶轮附近 放置一个尖劈模拟蜗舌 , 以它来作为产生离散噪 声的声源 ,如图 1 所示 。 通过此模型计算出流场 , 然后用非定常的伯 努利方程计算出作用在叶片微元上所受的力 , 最 后利用 Lowson 导出的任意运动点源的声场公式 计算声压
2. 2 蜗舌的尖劈模拟
1 引言 离心风机的噪声以气动噪声为主 , 在性质上可 以分为离散噪声与宽带噪声 。其气动噪声主要由 气体与叶轮叶片以及蜗壳的相互作用产生 , 并通过 进、 出气通道加以传播 。蜗壳内部的三维非稳定流 场以及壳体的特殊形状使得对其开展研究变得困 难 。近年来 , 国内外专家如 :Lowson 、 Wan - Ho Jeon 等都针对离心风机噪声做了很多研究 , 在发声机理 和声源传播 、 数值模拟 、 测试技术等方面都取得了 不少突破 , 但仍有很多需要进一步改进和完善之 处 。本文综合了近年来国内外大量文献的理论计 算和试验研究方法 ,同时提出了新的建议 。
2. 6 声学相似定律
其重要的 ,如何得到优良的机壳型线是很多人都关 注的问题 。在目前的大多数研究中 , 仅是通过修改
由国际标准化组织推荐的一系列确定噪声功 机壳蜗舌区域来降低基频强度 。Hille - brand 等改 率的标准 ,同样也适用于风机 。试验各种不同型式 变整个蜗舌形状来找寻关于产生噪声的最优设计 。 和尺寸的风机需要大量试验设备和时间 , 而且费用 昂贵 。因此将相似定律应用于风机气动噪声 , 能大 作为一种试验工具 , Rechenberg 采用了植物与动物 的生物进化原理提出了一种试验程序 。采用了 P1
2. 4 边界单元法计算
边界单元法的计算例子较多 , 但都大同小异 ,
法有着比较重要的作用 。但是它只能模拟风机的 这里 重 点 举 李 继 芳 的 算 例 加 以 说 明 , 他 运 用 Helmhotz 积分方程得出了蜗壳表面速度分布与蜗 基频噪声 ,且仍没有考虑完整蜗壳的存在 。
2. 3 基于宽频噪声的模拟
pω = P ∞ K ( R e , M a , S t , x i / D ,φ, k ) ( 10) P10 的随机变动产生一组 9 个后代量 ,9 个后代量
的最优者形成故的 “上代” , 从这个 “上代” 通过变量 的随机变化再次繁殖出第 2 代 , 依次下去 , 便得到 最佳型线 。但是该试验程序只考虑到了蜗壳自身 参数的影响 ,而忽略了叶轮的结构参数 。