船用柴油机增压器压气机高效工况气动噪声预测

戴 武

渤海船舶职业学院 辽宁葫芦岛 125005

随着船用柴油机涡轮增压器压气机工作范围不断拓展，压比和流量日益提高，噪声问题也日益突出，有必要对船用增压器压气机的噪声进行深入研究。

1 增压器气动噪声理论研究

本文主要从离散噪声和宽频噪声两方面进行了归纳总结。（1）离散噪声。工作叶轮与叶片扩压器或蜗壳互相作用，以及旋转的叶轮与空气周期性相互作用，使得旋转机械内部流场的静压周期性变化，由此产生噪声，被称为离散噪声。当叶片旋转时，工作轮每一个叶片便会周期性通过一个固定点，此时便会产生周期性的脉动压力。此压力脉冲周期与在单位时间该点的叶片通过数目成反比，当对此脉动压力进行傅立叶变换后，可以将连续不断的压力分解成一个定值的压力和一系列以叶片通过频率为基频的正弦压力的和，其压力脉动强度够大，且其频率在2-20000Hz范围内离散噪声主要包括叶轮旋转的动静转子干涉噪声和自身噪声，通常由叶片与空气周期性互相作用等原因引起，并且与叶片通过频率和其谐次有关。1970年，Lowson推导由运动的点源产生噪声的计算公式，该方法将叶片离散成微元体，然后求解叶片微元上的积分，从而预测运动点源产生的声场。但是叶片的离散是十分困难的，特别是风机或压气机叶片在空间上是扭曲的，因此在噪声计算过程中很容易产生较大误差。此外，Lowson声场公式仅仅适用于自由声场，此方法无法考虑压气机和风机蜗壳以及蜗舌对声场的影响。Goldstein虑管道动对噪声的影响，推导出了适用于管道内压缩机和轴流风机的噪声模型。（2）宽频噪声。高速气体在流经固体壁面时，由于摩擦力等作用使气体产生气流分离，而形成一系列涡。涡在生成和消失过程中会造成静压的波动，同时并向周围辐射噪声，称为涡流噪声。由于此类噪声频率范围比较大，通常也被称宽频噪声与离散噪声相比，宽频噪声产生的机理极为复杂，有效的消除宽频噪声也是十分困难的，国内外研究人员对宽频噪声的产生机理的认识仅限于利用实验获得半经验公式。针对轴流式叶轮机械，主要从以下四个方面对宽频噪声进行研究:叶顶间隙流动产生的气动噪声;由旋转机械叶片表面脱落漩涡而产生的气动噪声；旋转机械叶片表面气体流动分离而形成的气流尾迹噪声:进气气流与叶片的互相作用而产生噪声。

2 压气机气动噪声特性

2.1 压气机声学预测模型

声学预测模型由压气机边界元网格、场点网格、声学指向性网格以及声源网格组成。压气机边界元网格包括压气机进口段、叶轮罩壳、扩压器两侧平壁以及蜗壳网格，本文主要研究压气机在自然进气状态下的气动噪声辐射特性，因此边界元网格中压气机进口设置为开口形式；压气机封头同样被考虑在压气机声学模型中，并在声学计算中设置为刚性壁面；压气机蜗壳出口连接进气管，而在声学边界元网格蜗壳出口封闭，且设置为无反射边界，使声从该面透射至外部，保证声学模型更接近真实情况。

场点网格是位于压气机进口一个半径为1m的球形包络面计算域，其中球形域球心为压气机叶轮50%弦长所在的轴线位置。在场点网格上布置有5个声压监测点SP1-SP5，用于获取压气机噪声在空间位置的频谱特征，同时通过5点总声压级来评价压气机在不同转速下的噪声水平。声学指向性网格设置在XY、XZ和YZ平面上，半径同样设置为1m，圆心与球形域球心相同，用于分析压气机噪声在空间内的声压和声强指向性。气动噪声模拟采用混合CAA方法，首先计算压气机非定常流动，并将选定声源面的时域脉动压力作为声源进行相应的噪声计算。旋转的结构表面使得噪声主要体现了旋转偶极子源和空间四极子源，而离散单音噪声主要源于偶极子源，故而本文计算时将声源简化为偶极子。根据奈奎斯特采样定律中的时域采样定理，当非定常流场模拟时时间步长取为 5e-6s，所能计算到的噪声最大频率为100kHz，满足分析需要。压气机气动噪声主要噪声源是离散单音噪声，其主要出现在叶片通过频率及其倍频处，计算公式如下：

式中：N为转速，Z为主叶片数。作为研究对象的压气机由8个主叶片，其最大转速时涵盖离散单音噪声前三阶峰值的频率上限为10kHz，因此选定噪声频率范围为0～10kHz。声学计算中通常假设在最小波长范围内有6个单元，取298K时声速为346m/s，则对应最高计算频率10kHz的最大单元边长为5.7mm，因此在建立边界面模型与场点网格模型时均严格保证单元不大于5mm，保证计算的准确度，声学仿真计算中选择叶轮进口面作为声源面，在声学计算中使用非定常流动计算中得到的具有稳定周期性的时域脉动压力信息，经FFT变换后简化作为偶极子源进行噪声计算。三个计算工况均使用2976个非定常时间步的数据，因非定常流动计算时间步长均为 5e-6s，因此对应的噪声频谱分辨率均为67.2Hz。

涡轮增压器是广泛应用于车用及船用柴油机的增压设备，它能有效的提高柴油机功率密度，改善柴油机经济性、动力性、以及排放性能。随着压气机叶轮设计转速的不断提高，流场内产生高速气流，高速气流湍流脉动是压气机噪声的主要噪声源，因此压气机气动噪声问题日益突出。因此，要想满足船舶噪声控制标准，必须解决涡轮增压器噪声问题，压气机作为涡轮增压器的重要组成部分也是主要噪声源之一，对其气动噪声研究具有非常重要的意义。