某型空调室外机风机的气动噪声数值计算研究

马丽华

(广东美的暖通设备有限公司，广东佛山，528311)

某型空调室外机风机的气动噪声数值计算研究

马丽华

(广东美的暖通设备有限公司，广东佛山，528311)

以某型号空调室外机轴流风机为研究对象，利用ANSYS Fluent软件,预估了风机表面气动噪声源的分布并预测了远场接收点位置噪声特性。用数值计算的方法预测空调风机的气动噪声为空调风机的降噪设计提供参考。对空调系统中其他部件的声源识别和频谱特性分析也具有一定的借鉴意义。

轴流风机；气动噪声；数值计算

0 引言

随着人们对生活品质的要求越来越高,在注重室内机噪音的同时对空调室外机的噪音问题的关注也日趋增高。作为空调外机核心部件之一的轴流风机，其产生气动噪声也是引起空调室外机噪音的一个重要的噪音源。气动噪声数值模拟计算作为噪声研究的一种辅助手段，能够可视化、形象化地展示声源分布以及频谱特性等特征，为空调风机降噪设计以及改进提供参考依据，并且大大缩短产品设计周期，节省实验资源，因此越来越受到重视。

1 气动噪声基本理论

气动噪声主要是由于叶轮旋转时气体的非稳定流动而导致的气体与气体以及气体与固体壁面相互作用产生的噪声。轴流风机的气动噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声又称为离散噪声或叶片通过频率噪声，是由于叶轮旋转引起叶片周期性地扰动附近的气体产生。其频率如式1：

式中：n---叶轮转速（rpm）

Z---叶片数

i---谐波序号，i=1时为基频，i=2,3,4，……时为高次谐音。从噪声强度来看，基频最强，其高次谐音的趋势是逐渐减弱的[1]

涡流噪声又称为湍流噪声或宽频噪声，主要由于紊流边界层、叶尖涡、旋涡脱落等引起的压力脉动导致，这些压力脉动呈现出随机性，在频谱图上呈现明显的连续谱，有很宽的频率范围[2]。

2 计算模型及网格划分

本文所研究的空调室外机中所使用的轴流风机的参数为：叶轮外径为580 mm，高度为190 mm，叶片数为3，计算模型中保留空调室外机的外壳、导流圈以及电机支架等其主要结构部件，进、出口段适当延长以保证流动的充分发展。仿真模型示意图,如图1所示。

鉴于空调室外机中所使用的轴流风机曲面的不规则性以及整个外机流场结构的复杂性，采用结构化网格比较困难，为了降低划分网格所耗费的时间，因此，整个数值模型采用非结构化四面体网格划分。整个模型共生成网格数约500万，其中对风机区域进行局部加密处理，而外围空间所划分的网格则相对稀疏。

图1 仿真模型示意图

3 边界及流场计算条件设置

稳态流动分析湍流模型采用Realizable k-e模型，进出口分别采用压力进口和压力出口边界条件，风轮区域设为旋转区域，采用旋转坐标系（MRF）模型，给定转速为850rpm，导流圈及其他结构件给定标准壁面边界条件。

稳态流动计算稳定之后，将旋转区域改为滑移网格模型（Mesh Motion）,湍流模型改为大涡模拟模型（LES）进行瞬态流场模拟计算，并将稳态流动计算的结果作为进行瞬态流动模拟的初始条件，时间步长Δt 设定为0.000353s，根据采样定理[3]可分析的最高频率约为1416HZ。

4 结果分析

4.1 噪声源分布计算结果及分析

采用Broadband模型计算噪声源的分布，计算结束后提取风机表面的声功率级分布结果，如图2所示。

从图2风机表面的气动噪声声功率级分布云图可以看出，风机表面的气动声源主要分布在叶片的前缘、尾缘以及叶顶附近区域。其中叶顶附近的区域对噪声源的贡献最大，这是由于叶片的压力面与吸力面之间存在压差，使得叶顶附近存在气流泄露，而叶顶泄露所形成的漩涡脱落所引起的[4]。叶根附近区域的流速比较低,气流扰动小,因此这一区域附近的声功率级比较低，对噪声贡献度比较小。

由于气体在吸力面的附面层容易加厚并产生涡流以及涡流脱落而导致涡流噪声，使得在靠近叶顶区域，吸力面的声源强度明显高于压力面。但因本文中风轮的吸力面采用了特殊的凹圆结构，使得吸力面的凹圆结构区域的声源强度相对比较小。

风机的前缘附近的分离涡以及靠近尾缘的脱落涡而引起的叶片表面压力波动是这两个位置声源强度较大的原因。本文所涉及的风机独特的尾缘凹陷结构减弱了尾缘脱落涡引起的噪声，使得尾缘只在靠近叶顶附近的声源强度有些大。

图2 风机表面的气动噪声声功率级分布云图

4.2 远场噪声计算结果及分析

首先利用大涡模拟（LES）模型求解瞬态流场，获得满足时间精度要求的压力脉动值，然后激活FW-H噪声模型，计算远场噪声的产生和传播。获取声音接收点的压强信号后应用傅里叶变换（FFT）处理，得到远场接收点的噪声特性。噪声源选取风轮，噪声接收点选在风轮出口正前方1m处。

由公式1可知，本文所模拟的轴流风机的基频为42.5HZ。图3截取了轴流风机噪音在0-500HZ的噪声特性曲线，从图中可以看出在风机的基频处峰值最高，同时在与风机的旋转基频成倍数关系的频率点，如85HZ、127.5HZ、170HZ等频率附近也出现比较高的峰值，并且这些峰值呈现递减的趋势，说明接收点位置受叶片旋转产生的压力脉动周期性地影响较大，这与理论分析的趋势一致。

图3 声压级分布图

5 结论

（1）轴流风机的主要噪声源位于叶顶附近，同时在吸力面的前缘和靠近叶顶的尾缘也存在较大功率级的声源分布。

（2）轴流风机接收点处噪音的最高峰值出现在42.5 HZ左右，即风机旋转的基频处。在其倍频处也出现较明显的峰值，且呈递减趋势。

（3）轴流风机的仿真分析结果与理论分析的结果保持一致，为风机优化设计和噪声控制提供了理论依据。同时该方法对于空调系统中其他部件的声源识别和频谱分析也具有一定的参考价值。

[1]智乃刚，肖滨诗.风机噪声控制技术[M].北京:机械工业出版社，1985，99～103.

[2]张瑜.贯流风机内流及气动噪声分析[D].武汉:华中科技大学图书馆，2007:21～22 .

[3]王兴双.空调器室外机流场数值模拟及其轴流风扇噪声预估[D].武汉:华中科技大学图书馆，2011:21～22.

[4]仲惟燕，高峰.空调室外机轴流风机全流场数值模拟[J].流体机械，2012，40（4），78～80.

Numerical Study on Aerodynamic Noise of Air-Conditioner Outdoor Fan

Ma Lihua
(GD Midea Heating&Ventilating Equipment Co.,Ltd,Foshan Guangdong,528311)

By applying an air conditioner outdoor fan as an example,the ANSYS Fluent software is used to estimate the distribution of aerodynamic noise sources on the surface of the fan and to predict the noise characteristics of the far-field receiving point. It is useful to use the numerical method to predict the aerodynamic noise of the air conditioning fan to provide reference for the noise reduction design of the air condition fan.It also has some reference for the sound source identification and spectrum characteristic analysis of other components in the air conditioning system.

Axial fan; Aerodynamic noise; Numerical analysis