风扇叶片噪声优化数值分析的研究

徐鹏飞 王 刚 沈芝莹 王海波 李言亮 郭丹萍

（1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223001 2.徐州市水利建筑设计研究院徐州 221000 3.安徽华邦工程设计有限公司 淮北 235000）

1 研究背景

我国是一个水利大国，水力发电普遍广泛的存在于日常生活中，水轮机的应用更是普遍。由于水轮机高速旋转，其中各个部件里面的散热风扇等产生的噪音也比较高，为了增强产品的体验感和舒适性，设备工作状态的降噪措施就显得很有必要，本文旨在通过数值分析的方法对水轮机装置里的散热风扇进行流场分析和降噪处理。

随着计算机科学及数值分析的快速发展，利用计算流体力学的方法讨论流噪声的分布规律及降噪结构优化逐渐步入学者视线，目前已有部分成功算例，对结构的流噪声进行优化，该课题拟采用CFD方法结合声学基本知识对水轮机设备中风扇结构的流噪声进行分析研究，并通过改变风扇结构使风扇达到降噪的效果。

根据某风扇几何数据，创建三维几何模型，外围建立类似于风洞的通道，为一个圆柱体，其中风洞直径为800mm，保证了取值在叶片直径（110mm左右）5D～10D的范围内，整个风洞入口距离风扇主体设备650mm，出口距离风扇主体设备750mm，从流线图中可以看出该计算域满足计算要求。

2 数值分析过程

2.1 物理模型及模拟流程

图1 切面体的网格分布图

该分析主要涉及旋转机械和噪声分析部分，其中旋转机械采用mesh motion滑移网格技术实现风扇叶片的转动模拟，噪声分析采用Acoustics模型的F-W&H模型对噪声进行讨论，考虑到计算资源结合计算精度，湍流模型采用k-e RNG实现，设置压力入口，压力出口，数值相对大气压为0，风扇壁面考虑为无滑移壁面。

应用mesh motion对问题进行分析，并检测风扇叶片表面的静压力分布，通过之前试算可以得到当计算到0.5s时风扇叶片表面静压力基本稳定，因此此时可以认为计算流场已经消除了初始化的影响，此时在加载噪声模型，设置噪声源面和接收点位置坐标，计算0.1s左右，得到噪声源面和接收点未做坐标的压力脉动数据，通过FFT转化则可以得到监测点位置处的噪声值大小，可以通过显示叶片表面的压力脉动云图来判断压力脉动强弱的位置出现在哪里，从而指导进行降噪结构优化分析。

2.2 网格及几何无关性分析验证

从计算精度和计算效率两点出发，需要进行网格无关性分析及外部计算域无关性分析，具体内容如下：

2.2.1 计算求解域

图2 网格无关性曲线图

图3 流线图

图4 叶片优化几何模型图

图5 监测点相对位置图

表1 监测点位置表

表2 优化前后监测点分贝值大小表

根据所提供几何模型信息，建立类似于风洞的通道，为一个圆柱体，其中风洞直径为800mm，保证了取值在叶片直径（110mm左右）5～10D的范围内，整个风洞入口距离风扇主体设备650mm，出口距离风扇主体设备750mm，从流线图上可以看出该计算域满足计算要求。

2.2.2 网格无关性分析

对整个计算域进行网格无关性分析，由于该分析主要注重风扇的流噪声仿真，因此对风扇周围的网格进行无关性分析，风扇远场网格按照经验划分的足够精细，保证能精确捕捉流场信息，划分了如下尺度的网格，分别为35万、65万、113万、160万、224万单元数。根据所划分网格截取体网格平面可以看出计算域中网格的大致分布情况，基本原则为叶片设备较密，外部较稀疏，如图1所示。

根据该计算域内不同网格尺度的计算，获取叶片表面的静压力分布的大致平困值，作出X-Y散点图如图2，从图中更可以看出趋势，叶片表面的面平均静压力值随着网格数量的增大而逐渐增大，并逐渐区域稳定，从图中可以看出，结合计算耗时，选取网格尺度为113万或160万，能够得到较为精确的结果。

2.2.3 计算域合理性的验证

从图3中可以看出风扇影响范围（流线所在地方）均在计算域圆柱筒风洞之内，因此证明此计算域选取是合理的。通过对网格无关性和几何结构无关性分析可得出适合于该计算的网格尺度和计算域大小，确定网格尺度为160万尺度，确定计算域大小为洞直径为800mm，整个风洞入口距离风扇主体设备650mm，出口距离风扇主体设备750mm。

3 降噪优化分析

通过对原有结构进行仿真分析，可以得到风扇附近的流场分布规律以及压力分布情况，通过显示风扇叶片表面的压力分布可以得到风扇表面压力脉动较强的地方就出现在叶片外缘倒直角地方。基于该点，对倒角部分作了倒圆角处理，并在相同条件下进行计算，提取数据，得到的检测点噪声值较优化前少了10%～30%，该优化风扇叶片方法通过实验验证后可以投入使用，另针对通风距离和通风量的研究也要考虑到其中。

周围空气由于受到风扇转动的作用向风扇中心位置聚集，然后由于风扇叶片的推动作用流向风扇吹风方向。从风扇叶片整个压力脉动监测结果可以看出，整个叶片表面压力脉动较强的位置出现在叶片外缘倒直角部分的位置处，由此可以判定此处的压力脉动较强，所以此处为产生噪声的主要位置，产生的噪声值也最大。针对以上问题，本文对叶片表面结构进行了优化，具体优化方法为对叶片外边缘进行倒圆角，倒圆角半径为0.2mm，叶片优化几何模型图如图4所示。对优化后的模型计算时，选取3个噪声监测点坐标如表1，在叶片中位置如图5所示。

通过只改变叶片外缘几何结构在相同计算模型条件下进行噪声分析，得出三个监测点如表2，从数据中可以看出，通过改变几何模型达到了降低风扇叶片噪声值大小的目的，最高减小率为32.4%，由此可得适当改变叶片结构可以有效降低噪声。

通过计算可以得出，优化前与优化后对风通量的大小影响较小，以所截取平面内速度的面平均来判定风通量的变化值，比较数据可以得，较优化前风通量降低了3.3%左右，降低值相对于噪声的降低值可以接受。

4 结论

本文采用数值分析的方法对某叶片的噪声属性进行了分析，通过建立三维模型，划分网格并设置求解计算实现了数值分析方法对于转动叶片的仿真，并提取了数据结果。基于数据结果，对原有结构进行了改进，并修改三维模型重新划分网格进行计算。对比优化前优化后的数据结果，证明通过在叶片外缘加倒圆角的形式有利于在保证风通量的情况下减小叶片在相同转速下的噪声分贝值，从而达到了降噪的目的。该分析结果能够为旋转机械降噪方法的研究提供一定参考