倾斜蜗舌对前弯离心风机噪声特性影响的数值与实验分析

2021-12-17刘燕潇邵准远

风机技术 2021年5期

刘燕潇邵准远李蕾周波张浩

（浙江上风高科专风实业股份有限公司）

0 引言

随着我国城市化及环保战略的推行，特别是新冠病毒在全球蔓延以后，人们对环保清洁的要求越来越高，清扫车以机械化程度高、清洁效率好等优点成为了城镇清洁的主力军［1-3］。

清扫车专用离心风机为清扫车风道系统的主要动力源和噪声源［4］。前倾式清扫车风机以体积小、吸力大及质量小等特点，为清扫车装备公司所青睐。由于前倾式离心风机流道出口角和曲率较大，转速高，输出的压力高，流速大，“射流-尾流”结构强，吸力面边界层容易产生分离。流体伴随着旋涡、分离、脱落、尾迹流动等现象，内流场较为复杂［5-6］，因此这类风机也存在噪声大、高频噪声贡献大、刺耳等问题。在风机风量风压基本不变、风机安装尺寸不变的前提下（考虑部件的互换性），如何降低设备运行噪声和高频噪声贡献成为难点。

本文通过对原型机的模拟计算及实验数据对比，验证计算的可靠性。采用倾斜蜗舌优化方案，分析了倾斜蜗舌对清扫车风机流场特性、噪声特性的影响。

1 风机模型的数值分析及实验验证

1.1 原型机介绍

本文的研究对象为目前清扫车市场使用量最大的7.8C离心风机，风机由进气箱、叶轮、轮毂、蜗壳和皮带轮等部件组成。风机由电机驱动，转速为2480rpm，原型机最高效率点实测风量为13200m3/h，全压为10900Pa。

表1 清扫车离心风机主要结构参数Tab.1 Main structural parameters of centrifugal fan for sweeper

1.2 数值计算方法

1.2.1 计算模型及网格划分

采用Solid works 对风机进行三维建模，为了计算的稳定性，对风机进出口适当延长［7］，气动三维如图1。

图1 风机气动三维模型Fig.1 Aerodynamic 3D structural model

将Solid works 建立的三维模型导入ICEM 中进行网格划分，把模型划分成两个计算域，旋转域和静止域，叶轮区域为旋转域，其他域为静止域，两个域之间通过interface连接。对于关键部位，如叶轮、蜗舌、叶轮与集流器之间的套口尺寸进行特殊加密。由于计算模型较为复杂，因此采用适配性较好的非结构网格。计算网格如图2。

图2 计算网格图Fig.2 Computational grid of fan

为了保证计算精度，对模型进行网格无关性验证，计算对比分析，网格数为455万时，风机在额定风量下，压力误差小于2%，综合考虑工作站的计算能力、计算精度和计算耗时等因素，采用455万网格分布方案来计算分析。

1.2.2 计算模型的建立

使用ANSYS-FLUENT 软件作为数值模拟的求解器。先对模型进行稳态计算，基本稳定后；启动瞬态计算，当瞬态计算的监控参数形成了动态基本稳定后，再引入FW-H方程进行二次瞬态与噪声计算。

1）流体介质：25℃的不可压缩空气。

2）边界条件：采用速度进口，压力出口。

3）湍流方程：稳态计算时，采用SST湍流模型；瞬态计算时，采用SAS湍流模型。

4）数值算法：采用压力-速度耦合采用SIMPLEC算法，二阶迎风差分格式。

1.3 计算模型的可靠性验证

模型计算完毕后，提取参数，对计算的可靠性进行验证。

表2 风机的计算与实测结果对比Tab.2 Comparison of calculation and measurement results

由表2 可看出，计算值与实验值基本吻合，误差基本2%以内，可认为本文的计算方法是可靠的，可以准确的模拟风机的气动及噪声性能。

2 倾斜蜗舌对模型气动及噪声的影响分析

2.1 倾斜蜗舌的设计

离心风机的噪声主要是气体非定常流动过程中产生的气动噪声，包括基频噪声和宽频噪声。由于叶轮出口气流对蜗舌冲击较为剧烈，蜗舌对风机的气动性能和噪声特性影响比较明显［8］。从降噪机理角度，常规风机蜗舌为直蜗舌，叶轮出口与蜗舌之间距离在垂向是不变的，叶轮出口气流沿垂向同一时刻击打到蜗舌上。而倾斜蜗舌沿垂向成一定角度，气流不在同一时刻击打到蜗舌上，存在一个相位差，这样在同一时刻削弱了气流对蜗舌的冲击，降低了风机基本噪声峰值，因此风机总体噪声水平会下降。

其中，t为蜗舌与叶轮出口的距离；D2为叶轮直径；Z为叶片数；θ为倾斜蜗舌倾斜角度。

原型机Δt为0.07，在Δt从0.06～0.1 范围内，通过对文献［9］分析，当Δθ取0.8～1.2 时，风机降噪效果较好。在本次倾斜角度计算时，Δθ取1.2，叶片数Z为28，通过计算，倾斜蜗舌的倾斜角θ为15.4°。

图3 倾斜蜗舌设计示意图Fig.3 Diagram of inclined tongue structure

如图3所示，前盖板处的蜗舌尺寸结构与原型机一致（小蜗舌，半径为22mm），在后盖板侧蜗舌为大蜗舌(半径为55mm)，大蜗舌与小蜗舌之间存在一个倾角（15.4°），这样既保证风机气动性能不会有大的变动，又能降低风机噪声。

2.2 倾斜蜗舌对模型气动及噪声特性的影响

倾斜蜗舌模型与原型机的气动三维建模、网格化、算法等均一致，相同的方法，计算和分析倾斜蜗舌对模型的气动及噪声影响。以叶高50%截面为代表对气动性能进行对比分析。

从图4中可看出，原型机（直蜗舌）在蜗舌位置有较大的压力梯度，蜗舌舌尖压力值最大，舌尖方向逐渐减小，而倾斜蜗舌压力分布较为平缓。

图4 原型机与倾斜蜗舌模型压力分布Fig.4 Pressure distribution of original fan and inclined tongue model

图5为原型机与倾斜蜗舌模型的速度云分布图，可以看出，在蜗舌及叶轮出口附近，原型机局部的速度值较大，而倾斜蜗舌模型相对平缓，高速局域范围较小。

图5 原型机与倾斜蜗舌模型速度分布Fig.5 Velocity distribution of original fan and inclined tongue model

图6 原型机与倾斜蜗舌叶片时均压力脉动分布Fig.6 Blade's time-average pressure pulsation distribution of original fan and inclined tongue model

如图6 所示，原型机叶片表面时均压力脉动（)较大，其最大值位于蜗舌靠后的第3、4 两个大叶片的进口吸力面处，其他叶片的吸力面压力脉动也高于压力面，这是由于进口攻角大，形成局部分离所致。在叶片出口位置（叶片出口大曲率位置），压力面的压力脉动大于吸力面，这是由于叶片出口射流尾流结构导致的。总体上，叶片进口的压力脉动值高于叶片出口。倾斜蜗舌模型较原型机，压力脉动大幅度降低，并且消除了局部压力脉动大的问题，压力脉动分布较为均匀。

从图7 中可看出，原型机在蜗舌位置声压级较高，最大值分布在靠近前盖板方向（靠上），并且较为集中；倾斜蜗舌的高声压级偏离蜗舌向后方面发展，总体上也是靠前盖板方向大，后侧板小，较直蜗舌，倾斜蜗舌声压级大幅度降低。

图7 原型机与倾斜蜗舌模型蜗舌处宽频噪声分布Fig.7 Broadband noise distribution at the tongue of the original fan and the inclined tongue model

通过快速傅里叶变换对风机出口1m处监控点进行频谱特性分析，旋转噪声是以基频和谐频的离散形式呈现的，而湍流噪声则是以连续的形式呈现的。从图8中可看出，频谱中既有波峰又有连续分布的，这说明该风机气动噪声中既包含旋转噪声又包含湍流噪声。离散噪声的频率与叶片数、转速有密切联系，离散噪声的频率计算公式为：

式中，Z为叶片数；n为转速；i为谐波数，当i=1时为基频噪声［10］。

对于原型机，全频段的噪声值都比较大，在基频（f=28×2480/60=1157Hz）内，具备非常明显的离散特性，其他频率段，呈现明显的宽频噪声特性。在全频段内，倾斜蜗舌模型的噪声较原型机都有一定程度下降，特别基频（1157Hz）以上频段尤为明显。如图8-9所示，原型机噪声的主贡献频率段为1000～6000Hz，而倾斜蜗舌噪声主贡献频率段为1000Hz 以内。高频噪声降低以后，设备的噪声特性得到改良。