文|大小碗

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前 言

离心风机是依靠电机驱动，提高气体压力后输出气体的机械。因为它改变了空气流动的方向，因此被广泛应用。

离心风机主要包含蜗壳、叶轮等部件。其结构相对简单，但是在运转过程中会产生较高的气动噪声。

叶轮是风机中唯一的旋转部件，它影响风机的气动和声学性能。穿孔板是一种共振吸声结构。当声波传播到小孔时，一部分在小孔表面摩擦损耗，另一部分进入小孔的声波频率与薄板一致时会引起薄板共振，从而被吸收。

对风洞导流片穿孔并填充材料，使得风洞内气流涡旋削弱，减少了气动噪声。在蜗壳上铺设消声材料，抑制了低频范围内的辐射噪声。

穿孔板与多孔材料组合对噪学特性的影响，结果表明，穿孔板和多孔材料组合能够降低低频和中高频噪声。

气动声学设置

以双圆弧型叶片离心风机为研究对象。离心风机尺寸参数如表1所示。

使用三维建模软件SOLIDWORKS建立多翼离心风机模型，如图1所示。

为减少模型无关结构对计算资源的浪费，对结构进行了部分简化，同时延长了模型进出风区域，避免气流回流对计算结果造成影响。

为探究穿孔和填充多孔介质材料对离心风机声学性能的影响，对叶片迎风面板进行小孔贯穿，为避免负压将内部的多孔材料吸出，背风面板不穿孔。

穿孔板结构如图2所示。进行圆形、矩形、三角形形状切割。

为控制变量，设置孔边距为x1、y1,孔间距为x2、y2,不同穿孔时的孔边距x1、y1和孔间距x2、y2保持一致。在切割时，设置圆孔直径为1.5mm,穿孔面积为S，调整矩形和三角形的边长l,保证各切割形状的面积S一致。

叶片穿孔结构模型如图3所示。

对三维模型抽取内部流体计算域如图4所示。

分别对上述几何模型使用FLUENT进行网格划分。为保证网格划分质量，将模型分为旋转域和静止域两个部分。其中，旋转域包含叶轮所在区域，静止域包括进气管和蜗壳。

由于叶片上有微小穿孔，为保证网格质量，需要对网格进行局部细化。

叶片内部网格划分结果如图5所示。由图5可知：叶片内部网格均匀变化，检查网格质量(elementquality)为0.76,正交比(aspectratio)为倾斜度(skewness)为0.21,说明网格质量良好。

对静止域和旋转域网格进行单独划分，设置旋转域网格大小为2mm,并对网格进行邻近性和曲率捕获。静止域网格在数值模拟中不需要太精细。

对网格进行无关性检查，在保持其他条件不变的情况下，成比例地改变网格数量，并观察不同网格数量下的仿真结果。通常认为仿真结果的误差在5%~10%之间，网格对结果的影响在可接受的范围内。

为节约计算资源，取中等网格数量，因此设置静止域网格大小为4mm。原始模型网格数量为5328620,矩形穿孔叶片、圆形穿孔叶片、三角穿孔叶片网格数量分别为11935842、12320432、11905996。网格划分结果如图6所示。

根据GB/T2888—2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，当测量风机进、出口噪声时，若叶轮直径小于1m,取测量直径为1m；若叶轮直径大于1m,则取测量直径为叶轮直径。由于所选风机叶轮直径为0.15m,故取测量直径为1m。

噪声检测点布置示意图如图7所示。

在图7点A所示区域建立1个检测点，用于检测噪声。采用SIMPLEC算法作为计算方法，设置迭代计算的物理量残差为0.00001,迭代次数为2000步，最大循环迭代次数为10次，由式(5)计算出时间步长为4.615×10-3s,叶轮旋转9圈。

当迭代曲线呈周期性波动时，通常认为离心风机流场基本实现稳定流动，说明迭代已经达到收敛状态。

离心风机叶片不同穿孔形状的声压频谱图如图8所示。

图8叶片不同穿孔形状

由图8可知：系统噪声整体趋势表现为随着频率的升高而不断降低，低频段(0Hz~2000Hz)噪声降低速度较快，在中频段(2000Hz~3000Hz)和高频段(3000Hz~5000Hz)噪声降低速度逐渐缓慢，并伴随有局部噪声增加现象。

对比图8中不同穿孔形状叶片的噪声随频率的变化可以看出：在低频段时，不同穿孔形状对噪声的影响很小，与未穿孔时基本重合，随着频率的上升，则呈现出不同变化。

其中，穿孔叶片在整个频率范围内，除局部频率段外，其噪声值均低于原始叶片的噪声值，说明叶片穿孔对降低离心风机的噪声有着积极的作用，能有效破碎叶片间的涡旋，进而降低噪声。而穿孔叶片的降噪效果随着穿孔形状的不同而表现不同。

降噪效果按从好到差依次为圆形穿孔叶片、矩形穿孔叶片、三角穿孔叶片、原始叶片。噪声平均值为117.81dB、119.52dB、119.77dB、122.63dB。综上，采用圆形穿孔叶片可有效降低噪声，平均降低噪声4.82dB,降噪效果提升4%。

叶片不同穿孔形状压力云图如图9所示。

由图9可知：不同穿孔形状的叶轮压力分布总体类似，均在叶轮中心产生负压，其余位置随着叶轮转动，压力逐渐增大。但原始叶片在叶轮上端和叶轮下端均出现压力集中，且叶轮中心压力集中区域较大。

图9 叶片不同穿孔形状压力云图

而矩形穿孔叶片虽然减小了叶轮中心的压力集中区域，消除了叶轮下端的压力集中，但使叶轮上端出现了更为显著的压力集中，导致负压性能提升仅为1.2%。

圆形穿孔叶片的叶轮中心压力分布均匀，整个叶轮区域无明显应力集中区域，减小了压力损失，负压性能提升了40.5%；三角穿孔叶片在叶轮中心仍有明显应力集中，甚至在蜗舌处产生了应力集中，导致负压性能没有提升。

叶片不同穿孔形状压力和速度变化如表2所示。

叶片不同穿孔形状流动迹线如图10所示。

图10叶片不同穿孔形状流动迹线

由表2和图10可知：原始叶片在叶轮下方产生了大尺度尾缘脱落涡，叶片压力面与吸力面之间形成了较多叶间回流涡，导致负压性能变差、气流速度较低；

矩形穿孔叶片在叶片间仍存在多个回流涡，虽然下方的涡尺度小于原始叶片，但漩涡数量增加，导致负压性能仅提升了1.2%,而气流速度较原始叶片下降了2%。

圆形穿孔叶片下方虽然仍存在脱落涡，但是叶片上的圆孔结构使得叶片间回流涡数量显著减少。

因此，叶轮中心的压力分布均匀，且负压性能提升了40.5%,气流速度较原始叶片提升了11%；三角穿孔叶片的三角孔使得脱落涡尺度减小，速度提升了4.8%,但其叶片间的回流涡仍然存在，因此负压性能没有提升。

由前文的仿真结果可知，圆形穿孔叶片的降噪效果最好。现探究穿孔直径为1.0mm、1.5mm、2.0mm时圆形叶片的降噪效果（为避免减弱叶片的结构强度，穿孔直径不宜过大）。

叶片不同穿孔直径的声压频谱图如图11所示。

图11叶片不同穿孔直径

由图11可知：不同穿孔直径时，噪声随频率的变化不同；但整体仍呈现为随频率增加，噪声值降低的趋势。

叶片不同穿孔直径噪声值统计如表3所示。

由表3可知：当穿孔直径为1.5mm时，风机的噪声峰值、噪声最小值最低，且噪声平均值也低于其余二者。同时，穿孔直径为1.5mm时，叶片的噪声偏差系数值最大，说明在不同频率下，其对风机噪声影响最明显。

综上可知，穿孔直径为1.5mm的叶片降噪效果最佳。

由前文的仿真结果可知：穿孔直径为1.5mm的叶片降噪效果最好。现探究叶片上不同面积孔隙率的降噪效果，采用4%、5%、6%的孔隙率进行对比。

叶片不同孔隙率的声压频谱图如图12所示。

由图12可知：不同孔隙率时，噪声值随频率的变化不同；但整体也呈现出随频率增加，噪声值降低的趋势。

叶片不同孔隙率噪声值统计如表4所示。

图12叶片不同孔隙率

由表4可知：当孔隙率为5%时，风机的噪声峰值、噪声最小值最低，且噪声平均值也低于其余二者。同时，孔隙率为5%的叶片噪声偏差系数值最大，说明在不同频率下，其对风机噪声影响最明显。综上，孔隙率为5%的叶片降噪效果最好。

仿真结果表明：当叶片穿孔图形为圆形、穿孔直径为1.5mm、孔隙率为5%时，相较于原始叶片，风机降噪性能提升了5.6%。

为更好地降低噪声，在叶片内部填充多孔介质材料，多孔介质材料选用具有良好声学和力学性能的玻璃纤维棉。

在FLUENT中启用多孔介质PorousZone命令，模拟填充多孔介质材料后的效果，设置叶片内部为多孔介质区域，气流在区域内的通过方式为LaminarZone,设置黏性阻力系数为3.25×107,惯性阻力系数为5414。

添加多孔介质材料后风机的声压频谱图如图13所示。

图13穿孔并填充多孔介质材料

由图13可知：穿孔并填充多孔材料后，风机噪声在各个频段均有降低，优于原始叶片。

根据数据统计，原始叶片的噪声平均值为122.56dB，穿孔并填充材料叶片的噪声平均值为111.46dB,平均降低噪声11.1dB，降噪效果提升了9.1%。

这是因为玻璃纤维棉是纤维结构，内部有许多相互贯穿的孔洞和微小间隙，并与表面连通，在声波作用下，孔洞和缝隙内的空气及多孔材料中的细小纤维发生振动、产生热量，从而消耗声能，因此，添加玻璃纤维棉后的降噪效果在整个频带范围内都有明显提高。

离心风机仿真分析

气动性能耦合分析

为验证叶片内部填充多孔材料后对风机气动性能的影响，使用FLUENT进行仿真计算。设置穿孔图案为圆形，穿孔直径为1.5mm,穿孔率为5%。

穿孔并填充材料叶片仿真云图如图14所示。

由图14可知：穿孔并填充材料后，风机的最大压力增加量为910.98Pa,最大压力减小量为-548.32Pa,最大速度为40.596m/s。

对比图9仅圆形穿孔时，负压性能降低了21.5%,这是因为填充多孔材料后，多孔材料对叶片内气流的流动有着阻碍作用。

对比原始叶片，由图14(b)可以看出：填充材料后叶轮下方的脱落涡仍存在，但叶片间的回流涡减少，减少了气流损耗，因此负压性能提升了11%,速度提升了5%。

图14穿孔并填充材料叶片仿真云图

叶片穿孔并填充多孔材料，不仅能提升风机的气动性能，而且对风机噪声有着良好的吸收效果。

实验与结果分析方法

为验证仿真结果的可靠性，开展原始叶片、叶片穿孔、叶片穿孔并填充材料的正交实验研究。

设置不同穿孔类型和填充材料作为变量，噪声值作为实验目标，其余条件保持不变。

叶片不同穿孔形状实物如图15所示。

图15叶片不同穿孔形状实物图

同时，需要确定测试点和测试环境。根据GB/T2888—2008《风机和罗茨鼓风机噪声测量方法》，测试点经过叶轮几何中心，距离壳体L=1m，测试环境需要保证相对安静，并且尽可能降低环境噪声。

测试点布置示意图如图16所示。实验方案和步骤如下：

安装测试设备。在测试点处安装声级计等测试设备，并确保测试设备的位置稳定。同时，尽量减小

图16 单吸入离心风机测试点位置

被测风机振动产生的噪声以及地面和其他物体的反射声，将电动机噪声视为背景声，以保证测量的准确性。

进行预测试。在正式测试之前，进行预测试以检查测试设备是否正常工作，并确定测试环境是否符合要求，声级计的传声器应指向声源，测量者应侧向声源。

进行正式测试。风机运行时，使用声级计等测试设备测量噪声水平。应进行多次测试，同时根据GB/T2888—2008对声级计的读数作背景噪声修正后的值，以获得更准确的测试结果。

测试平台采用沈阳鼓风机研究所研制的风机自动测试系统，该系统对气动和噪声特性的测试精度能达到小数点后3位。测试平台如图17所示。

图17测试平台

叶片不同穿孔形状实验

展离心风机叶片原始、矩形、圆形和三角穿孔形状的风量和降噪效果正交实验。叶片不同穿孔形状实验结果如表5所示。

表5叶片不同穿孔形状实验

由表5可知：实际各叶片的噪声初始值高于仿真叶片初始值，这是因为实际环境总存在一定噪声，无法完全消除。

从表5中可以看出：圆形穿孔叶片相较其余穿孔叶片，降噪2.62dB,效果最明显，风量提升了12.16%。这是因为圆形穿孔使得叶间回流涡数量减少，因此气流损耗减少。

叶片不同穿孔直径实验

开展离心风机圆形穿孔叶片穿孔直径的风量和降噪效果正交实验。叶片穿孔直径实验结果如表6所示。

由表6可知：当叶片穿孔直径为1.5mm时，降噪效果提升了0.5%,风量提升了2%,说明改变穿孔直径并不能显著提升降噪效果，但能提升风机的气动性能。

叶片不同孔隙率实验

在圆形穿孔叶片和穿孔直径为1.5mm的基础上，开展叶片穿孔率为4%、5%、6%的正交实验。叶片穿孔率实验结果如表7所示。

由表7可知：当叶片穿孔率为5%时，降噪效果提升了0.47%,风量提升了2.5%,说明穿孔率对风机降噪性能影响不大，但可以提升其气动性能。

叶片穿孔并填充材料实验

在叶片穿孔形状为圆形、穿孔直径为1.5mm和孔隙率为5%、内部填充玻璃纤维多孔介质材料的基础上，开展原始叶片、叶片穿孔、叶片穿孔并填充材料的风量和降噪效果正交实验。叶片穿孔并填充材料实验结果如表8所示。

由表8可知：叶片填充材料相较于叶片仅穿孔，风机的风量降低了6%。这是因为叶片填充材料后，空气进入叶片内部后互相摩擦损耗，引起玻璃纤维的振动和摩擦，导致风量降低，但降噪效果提升了3%。

叶片填充材料相较于原始叶片，可降低噪声6.72dB,降噪效果提升了5.3%,同时风量提升了7.5%。

以上结果说明：对叶片穿孔并填充多孔介质材料，在降低噪声的同时能有效提升风机风量。

研究结果：对叶片穿孔形状进行对比可知，不同穿孔形状均能提升风机的降噪性能，其中圆形穿孔形状降噪性能最佳，且能显著提升风机负压性能。

经过对穿孔直径为1.0mm、1.5mm、2.0mm的圆形穿孔进行对比，穿孔直径为1.5mm时降噪性能最佳；对叶片4%、5%、6%的穿孔孔隙率进行对比，发现5%的孔隙率降噪效果最佳。

由仿真模拟结果可知，在穿孔直径为1.5mm、穿孔率为5%的圆形穿孔叶片内部填充多孔介质材料，能有效地降低风机的中高频噪声，相较原始叶片平均降低噪声11.1dB，降噪效果提升了9.1%,同时叶片穿孔可提升风机负压性能11%。

根据实验结果可知，叶片穿孔并填充材料相较于原始叶片，可降低噪声6.72dB,降噪效果提升了5.3%,同时风量提升了7.5%。

在接下来的工作中，将为叶片填充不同流阻率的多孔介质材料，探讨其对气动声学特性的影响。

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