气动声学方程中的风机噪声成因

气动声学方程中的风机噪声成因

一、空气中声速率的影响因素初级气候变量1872：。波动方程为1c2∂2p∂t2-∂2p∂x2i=∂Q∂t-∂Fi∂χi+∂2Τij∂χi∂χj1c2∂2p∂t2−∂2p∂x2i=∂Q∂t−∂Fi∂χi+∂2Tij∂χi∂χj(Τij=ρvivj+pij-c2ρδij)pij=pδij+η(-∂vi∂χi-∂vj∂χj+23∂vk∂χkδij)δij={1(i=j)0(i≠j)(Tij=ρvivj+pij−c2ρδij)pij=pδij+η(−∂vi∂χi−∂vj∂χj+23∂vk∂χkδij)δij={1(i=j)0(i≠j)式中p——空气压强c——空气中声音传播的速度t——时间变量xi,i=1,2,3——笛卡尔坐标系Q——表示在(xi,t)处每单位流体体积每秒钟增加的流体质量,即点源强度Fi——为流体力在xi方向之分量ρ——空气密度η——空气粘滞系数该方程式右边有三项,各代表不同的噪声起因。其中第一项为单极子声源,即质量脉动源;第二项为偶极子源,即外力散度源;第三项包含了流体内部的非线性、湍流、粘性及热传导等复杂因素的影响,为四极子声源。各种声源与空气流速有以下关系:单极子声源的声功率:W∝ρLv4cW∝ρLv4c双极子声源的声功率:W∝ρL2v6c3W∝ρL2v6c3四极子声源的声功率:W∝ρL2v8c5W∝ρL2v8c5式中ρ——气体密度L——有关长度v——流速c——空气中声速由公式可以看出:单极子声源的声功率与流速4次方成正比,双极子声源的声功率与流速6次方成正比,四极子声源的声功率与流速8次方成正比。实践证明,风机叶片的噪声主要由气动声学方程右边的第二项决定,即偶极子声源占主导地位。这也可以从很多实验得到的风机噪声与叶片旋转速度的6次方或5.5次方成正比得到验证。二、噪声分类风机叶片噪声从噪声频率的角度可以分为离散和宽频噪声。1.空气前导叶产生的噪声离散噪声(旋转噪声)与叶轮的旋转有关。特别在高速、低负荷情况下,这种噪声尤为突出。离散噪声是由于叶片周围不对称结构与叶片旋转所形成的周向不均匀流场相互作用而产生的噪声。一般认为有以下几种:(1)进风口前由于前导叶或金属网罩存在而产生的进气干涉噪声;(2)叶片在不光滑或不对称机壳中产生的旋转频率噪声;(3)离心出风口由于蜗舌的存在或轴流式风机后导叶的存在而产生的出口干涉噪声。叶片均匀分布叶轮旋转噪声的频率计算如下:f=nzi/60式中n——叶轮每分钟转速,r/minz——叶轮叶片数i——1,2,3,……谐波序号离散噪声具有离散的频谱特性,基频(i=1时对应的频率)噪声最强,高次谐波依此递减。2.特定流附面层噪声涡流噪声是由气流流动时的各种分离涡流产生的,一般认为有4种成因。(1)当具有一定的来流紊流度的气流流向叶片时产生的来流紊流噪声。(2)气流流经叶片表面由于脉动的紊流附面层产生的紊流边界层噪声。(3)由于叶片表面紊流附面层在叶片尾缘脱落产生的脱体旋涡噪声。(4)轴流通风机由于凹面压力大于凸面而在叶片顶端产生的由凹面流向凸面的二次流被主气流带走形成的顶涡流噪声。涡流噪声的频率由下式估计:fi=Srui/L式中Sr——斯特劳哈尔数,当200≤Re≤2×105时,Sr=0.2u=ωr——半径为r处轴流叶片的气流速度L——物体正表面宽度垂直于速度平面上的投影i——谐波序列号因为r是由叶根处半径向叶顶处半径连续变化的量,因此涡流噪声是一种频率连续变化的宽频噪声。三、减少噪声工程噪声的控制一般从三个角度考虑:其一是从减少噪声声源着手;其二是从噪声的传播途径着手,利用消声器或隔声器减少噪声;其三是从噪声接收者着手,对其进行保护。实践证明,风机叶片产生的空气动力性噪声远远大于风机的机械噪声和电磁噪声,如果能通过改进风机进出风口和叶片结构,将能大幅度地减少风机辐射的噪声,而从叶片方面想办法降噪有很大的研究和应用前景。1.部分气流流速叶片下沉为了降低风机涡流噪声,可以采用工作轮叶片穿孔法。因为叶片出口处经常出现涡流分离,而采用叶片穿孔方法可以使部分气流自叶片高压面流向叶片低压面,可以促使叶片分离点向流动下方移动,其机理等同于附面层吹风。这样降低了叶片出口截面的分离区,分离区涡流强度和尺寸减少,噪声也随之减少。但是大的穿孔系数会使压差降低过快,达不到要求的能量头。因此,叶片穿孔法关键是穿孔排数、穿孔面积、穿孔系数、穿孔直径和穿孔偏角的设计。2.叶片声压级的变化连接一个叶片每一个切向截面的弦长中点的连线称为叶片中弦线,根据叶片这条中弦线是向叶片旋转方向倾斜,向后倾斜,或者不倾斜分别称为前掠叶片、后掠叶片、径向叶片,掠向分为线性掠向和圆弧掠向(如图1所示)。声压级受叶片的掠向的影响很大,当叶片前掠时,声压级减小,当叶片后掠时,声压级增大。噪声频谱密度的变化的分布形式也随叶片叶掠方向而改变,前掠叶片的频谱峰值前移,后掠叶片相反。线性掠向和圆弧掠向对噪声影响差别不大。3.低压轴流通风机产生声功率的理论计算公式如图2所示平板叶片,其面对气流方向的一面称为压力面,而背朝气流方向的一面称为吸力面。在叶片的尾缘上,有三种切削方式:方式一,切削压力面;方式二,切削吸力面;方式三,不切削。Lc为切削长度,Dt为切削后叶片尾缘厚度。发现同样厚度的平板叶片切削后,吸力面切削较不切削叶片空气动力性噪声有所降低,而压力面切削较不切削叶片产生空气动力性噪声有所升高。原因是在叶片吸力面被切削时减小了叶片尾缘尾迹的宽度,而压力面切削时由于改变了环绕叶片的速度分布,反而增大了叶片尾缘尾迹的宽度。由T.Fukano导出的估计低压轴流通风机产生声功率的理论公式:E=πΖγ120gc30∫spanDw6drE=πZγ120gc30∫spanDw6dr式中E——叶轮所有叶片所发出的总声功率Z——叶片数g——重力加速度γ——静止空气密度c0——静止空气中声速D——叶片尾源的尾迹宽度w——空气相对于叶片流速r——转子叶轮上离转子叶片的距离可知叶片尾缘尾迹的宽度的降低,成正比地减小了风机的声功率。以上结论只适合于平板叶片,对于圆弧形叶片,则不管吸力面还是压力面切削,都会使叶片尾缘尾迹的宽度减小,由公式可知都会使噪声降低。4.风机翼型风机翼型叶片具有机翼型的横断面,将航空中有很多空气动力特性设计良好的翼型用到风机叶片的横断面造型上,同时将航空翼型设计技术进行移植、改进,用于设计高效风机翼型,研制出适用于风机用的翼型和风机叶轮设计系统。都会大大改善风机的效率和降低噪声。经大量实验证明,借鉴机翼、螺旋桨以及航空发动机设计技术研制开发的风机用先进翼型比风机行业使用的传统老翼型升阻比(效率)高20%～30%;研制开发的节能低噪声风机,最高效率可达90%以上,比同类风机高5%～25%,噪声(比A声级)低3～14dB。另外机翼型叶片比平板叶片断面系数和抗弯强度都大,所以可以提高转速而降低风机尺寸,用在尺寸受到限制的场合。5.风机频率的影响不等节距是一种降低叶片旋转噪声的方法。国外1970年Mellin就提出不等节距降低通风机噪声的方法,这种方法一直在被应用和发展。理论公式证明,不等节距叶片对风机通过频率及其谐波具有调制作用,即对于任意一个谐波,不象等节距叶片风机那样具有显著的峰值,而是将能量散布到更宽的频带中去了。通过对最常见的叶片不等距分布规律:Φ′=Φ+AsinnΦΦ——相同叶片数等节距叶片的角距研究发现叶片节距相对变化值(ΔΦ/Φ)不是太大时(不超过20%),不会使风机的气动性能变坏。6.软出边效果对比鸟在空中飞行,由其翅膀拍打空气产生的噪声很小。从仿生学的角度,仿照鸟的翅膀设计风机的叶片,是否能降低风机叶片噪声呢?叶片机械旋转速度较高,而且承受一定的空气压力,因此叶片主体必须具有一定的刚度,而叶片的叶尖部分由于转速最高,往往是噪声的主要集中区。国内专家作了相关实验研究,采用软出边叶片代替常规叶片,经过实验后发现有:软出边叶片对比A声级的影响可以分为两段,在小流量区(以流量系数Φ=0.175～0.19为分界点),比A声级降低,而且随软出边相对长度的加大而减小,而在大流量区的规律正好相反;对效率的影响为软出边的效率曲线普遍沿流量系数坐标轴向左移,因此在小流量区效率有所增大,在大流量区则效率有所降低,并且随软出边相对长度的增大,效率曲线偏移得越大;而对压力系数的影响以流量系数Φ=0.13为分界线,在小流量区基本保持不变,而在大流量区则有所降低,并且随软出边相对长度的增大降低越快。采用软出边叶片还有很多问题需要解决:比如软出边材料的强度问题,耐高温、耐腐蚀问题,大流量区性能的改善问题。7.高频噪声、低频噪声在距离很远时,因为高频噪声的周波数多于低频噪声,所以高频噪声的衰减速度高于低频噪声。又高频噪声易于屏蔽,所以随传播距离的加大,高频噪声的衰减要比低频噪声快得多。风机离散噪声的频率正比于风机叶片数,而将宽叶片换成若干窄叶片,同时增加叶片数目,在不改变流量和压力系数的前提下,提高风机辐射噪声频率,