吸油烟机气动噪声的数值模拟

姜　鸿，张　凯

(中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)



吸油烟机气动噪声的数值模拟

姜鸿，张凯

(中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

【摘要】基于混合CAA(Computational Aeroacoustics)方法，对某型号吸油烟机的气动噪声进行了数值模拟研究.首先，利用CFD软件Fluent对吸油烟机的非稳态流场进行计算，得到吸油烟机非稳态流场的压力和速度分布.然后，利用Lighthill声类比方法和Curle方程，采用声学软件Actran计算得到吸油烟机的声场.最后，分析了吸油烟机内声源频域结果和声场的声压级云图，得到了吸油烟机噪声传播指向特性.研究结果表明，吸油烟机噪声主要为中低频噪声，且以离散噪声为主.在叶片通过频率下，吸油烟机噪声具有明显的指向性特征，噪声主要由吸油烟机内离心风机主次进风口向外部传播.

【关键词】吸油烟机；气动噪声；混合CAA方法

传统中式烹饪会产生大量的油烟，烹调时产生油烟含有多种有毒化学成分，这些有毒化学成分对人体肺部、免疫系统等都会产生有较大的危害[1-3].为解决厨房内油烟聚集的问题，人们发明了吸油烟机.吸油烟机在改善厨房环境的同时，其噪声问题也引起了人们的重视[4].吸油烟机内的核心部件为多翼式离心风机，风机的噪声主要由气动噪声和结构振动噪声组成，其中气动噪声一般占主要成分[5].

计算气动声学(Computational Aeroacoustics, CAA)是采用数值模拟分析的方法来研究气动声学的一门学科，一般分为两大类：直接CAA方法和混合CAA方法[6].直接CAA方法可直接求解声学波动方程，但是由于流场变量和声学变量尺度差距较大，声学计算的精度要求较高，所以直接CAA方法对计算机的配置和计算的精度都有很高的要求，在实际的工程应用中还无法推广.混合CAA方法中忽略了声场对流场的影响，将气动噪声的计算分为声源的产生和声传播两个步骤：首先采用数值模拟等方法计算目标流场的非定常流动，之后以非定常流场计算结果为基础利用Lighthill声类比、涡声理论或线性欧拉方程等方法对声场进行计算[7].

本文中采用混合方法即利用CFD软件Fluent结合声学软件Actran对吸油烟机的气动噪声进行仿真分析：非稳态流场由Fluent计算并同时输出流场中的速度及压力信息，之后将流场信息利用积分插值的方法加载到声学网格上进行气动噪声的计算，具体分析流程如图1.

图1　气动噪声计算分析流程图Figure 1　Aerodynamic noise calculation flow chart

1计算模型

首先依据吸油烟机加工模型建立计算模型，吸油烟机的计算模型主要由进口段、风道、离心风机、出口段组成，其中风道包括集烟罩、油网、集油杯等；离心风机包括叶轮、蜗壳、电机、集流器等.建立的吸油烟机计算模型如图2，在计算模型中格外添加的进出口段是为了进出口的流动能够充分发展，使得设置的边界条件更加符合实际情况.

图2　吸油烟机计算模型Figure 2　Calculation model of range hood

2气动噪声理论分析

1952年，著名的声学泰斗Lighthill提出了Lighthill声类比方程，代表了近代声学的开端[7].其推导过程如下.

将连续性方程和动量方程写为

(1)

(2)

其中pij=pδij-τij.

由(2)式得

(3)

其中应力张量T为

(4)

结合式(1)和(3)得Lighthill方程为

(5)

由于Lighthill方程最初是在自由空间假设下得到的，没有考虑固体边界的作用。而在实际应用中固体边界对声音的产生和传播都有重要的影响，Curle应用基尔霍夫方法在Lighthill方程中考虑静止固体边界的影响.Actran中的气动噪声计算基于Lighthill声类比并结合了Curle的理论，Curle方程的形式为

(6)

式(1～6)中,ρ为密度，υ为速度矢量，δij为Dirac函数，τij为黏性应力张量.

气动噪声按照频谱特性可分为离散噪声和宽频噪声，其中离散噪声是由于叶轮的旋转周期性击打空气或邻近的固壁面(如蜗舌)造成的，其频率为[8]

(7)

其中z为风机叶轮的叶片数，n为叶轮转速(r/min)，i为谐波数i=1,2,3….

本文中吸油烟机的叶轮转速为940r/min，叶片数为60，由式(7)计算得叶片通过频率(BladePassingFrequency)的基频为940Hz.

宽频噪声产生的机理较复杂，主要由风机中气流流动的非定常特性所产生，主要包括湍流噪声、叶片上流动分离形成的噪声、叶尖涡脱落引起的噪声[9].离散噪声在频谱中主要在几个离散的频率上出现明显的峰值，而宽频噪声在噪声频谱上的分布较均匀.

3计算网格及边界条件

由于吸油烟机计算模型结构较复杂，将其分为进口段、油网部分、风道部分、叶轮、出口段五个部分进行网格划分.使用ANSYSICEMCFD对进口段、出口段以及风机内的叶轮划分了结构化网格，而对于油网和风道部分则划分了非结构化网格.由于风道部分包含了离心风机的蜗壳部分，其流动情况较复杂，故对风道进行了网格加密.计算网格如图3，最终计算域的网格总数为5 564 437. 为保证吸油烟机非定常流场的收敛性和计算精度，先对其定常流场进行计算.在定常流场计算中选用Realizablek-ε湍流模型，叶轮选用旋转坐标系，其他部分为静止坐标系，给定叶轮转速.壁面附近选择非平衡壁面函数，进出口给定标准大气压.压力速度耦合方式采用SIMPLC算法，离散格式为二阶迎风格式.定常流场计算收敛后，以定常结果作为初值进行非定常流场计算.为提高噪声计算精度，湍流模型选用大涡模拟(LES)模型，亚格子模型选取WALE模型.在非定常流场计算中，需设置迭代时间步长Δt.依据奈奎斯特采样定理，声场中所能计算得到的最高频率fmax=1/2Δt，考虑到吸油烟机内风机的叶片通过频率为940Hz，设定fmax为10 000Hz，所以时间步长Δt为5×10-5s，计算2周期稳定后开始采样.

图3　计算域网格Figure 3　Computational domain grid

4计算结果分析

如图4，Actran软件中的iCFD模块通过读取CFD计算结果，采用积分插值的方法将非定常流场计算结果插值到吸油烟机的声学模型中，完成时域上的流场计算结果到频域上声源信息的转换.获取声源信息之后，利用Lighthill声类比结合Curle理论对吸油烟机气动噪声进行计算.在吸油烟机声学模型中设置噪声监测点，监测点的位置与国标GB/T17713-2011《吸油烟机》规定的噪声测试的麦克风放置位置一致，即以吸油烟机风机叶轮中心为球心且半径为1.414m的球中，监测点处于比风机叶轮中心低1m的平面上与球面相交的位置上.

图4　积分插值方法Figure 4　Integral interpolation method

计算完成后，得到不同频率下的吸油烟机声场云图和由所有监测场点得到的声源指向性图.

4.1Lighthill声源频域结果分析

Actran中可将时域下流场计算结果转换为频域下的声源信息，如图5，截取不同频率下吸油烟机内声源云图以观察吸油烟机内部声源分布位置和强弱.由图可知，940Hz时面声源强度最大，说明在吸油烟机的噪声以离散噪声为主.在叶片通过频率之后，蜗壳内的体声源随着频率的增大其强度减小，声源类型以宽频噪声为主.

图5　不同频率下声源分布Figure 5　Acosutic source distribution under different frequencies

4.2声源指向性图分析

图6为所有监测点声压级的极坐标图.从极坐标图上可看出噪声声源的指向性：叶片通过频率940Hz下，监测场点圆周上约110°～240°范围内的声压级较大，此范围内的监测场点对应于吸油烟机的离心风机主进风口处，据此判断叶片通过频率下吸油烟机的噪声主要由离心风机主进风口向外部辐射.监测场点圆周上约300°～15°(逆时针方向)范围对应于风机的次进风口处，此范围内的噪声强度相对于主进风口处较小.由以上分析可知，离心风机是吸油烟机的主要噪声源，这一结论与文献[10-11]中吸油烟机噪声测试结果相同，同时也验证了本文中气动噪声数值模拟的正确性.

图6　940 Hz下声源指向性图Figure 6　Acoustic source directivity under 940 Hz

4.3声压级云图分析

如图7，在Actran中截取吸油烟机声场的子午面、回转面，观察吸油烟机内部声场在不同频率下声压级分布.940Hz下，风机蜗壳内和吸油烟机渐缩段出口处的声压级较高；500Hz低频下风道内和蜗壳内的声压级都比1 400Hz下的高，表明吸油烟机的噪声主要集中在中低频.针对吸油烟机在特定频率如叶片通过频率处噪声较高的现象，采取被动消声方式降低特定频率下的噪声，可取得较好的降噪效果.

图7　子午面和回转面不同频率声压级云图Figure 7　Acoustic pressure contours under different frequencies in meridian and rotary planes

5结论

本文以混合CAA方法为基础，对某吸油烟机的气动噪声进行了计算.分析了Lighthill声源频域结果和吸油烟机的噪声指向特性，以及吸油烟机回转面和子午面上的声压级云图.结论如下：

1)从声源分析结果得知，吸油烟机噪声以离散噪声为主，且在叶片通过频率后蜗壳内的体声源随着频率的增大其强度减小.

2)叶片通过频率下吸油烟机的噪声主要由离心风机主次进风口向外部辐射传播，离心风机为主要噪声源.

3)吸油烟机的噪声主要为中低频噪声，在高频处的噪声强度较低.

4)依据吸油烟机噪声仿真分析结果提出降噪措施：针对特定频率设计吸声降噪结构，并在噪声的传播路径上即风机的主、次进风口处安装该降噪吸声结构可有效降低噪声.

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Numerical simulation of the aerodynamic noise in a range hood

JIANG Hong, ZHANG Kai

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:Based on the hybrid CAA (Computational Aeroacoustics) method, the aerodynamic noise of a range hood was studied. First, the unsteady flow field of the range hood was calculated in Fluent to obtain the pressure and velocity distribution. Then, the aerodynamic noise of the range hood was numerically calculated by adopting the Lighthill acoustic analogy theory and the Curle equation in Actran. Finally, the acoustic source in the frequency domain, the sound pressure coutours and the directivity of noise radiation were obtained. The results showed that the range hood noise mainly concentrated on low and middle frequencies and exhibited discrete characteristics. Under the blade passing frequency, the range hood noise showed obvious directivity characteristics and radiated outward from the inlet of the centrifugal fan.

Key words:range hood; aerodynamic noise; hybrid CAA method

【文章编号】1004-1540(2015)01-0058-05

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.011

【收稿日期】2015-11-19《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

【作者简介】姜鸿( 1990-)，男，辽宁省大连人，硕士研究生，主要研究方向为流体机械的数值模拟.

【中图分类号】TH432

【文献标志码】A

E-mail:09jianghong@sina.com

通信联系人：张凯，男，副教授.E-mail: zhangkai@cjlu.edu cn