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扩压器扩压角度对轴流风机噪音的影响_范亚明.pdf
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扩压器扩压 角度 轴流 风机 噪音 影响 范亚明
第 40 卷第 2 期2023 年 2 月机电工程Journal of Mechanical Electrical EngineeringVol 40 No 2Feb 2023收稿日期:2022 03 25基金项目:福建省科技厅产学研联合创新项目(2021H6009)作者简介:范亚明(1974 ),女,福建福州人,博士,教授,主要从事受限空间的环境调控与节能技术方面的研究。E-mail:335222368 qq comDOI:10 3969/j issn 1001 4551 2023 02 011扩压器扩压角度对轴流风机噪音的影响*范亚明1,宋超2,郑闽锋1,沈锦钗1,赵路1(1 福建工程学院 生态环境与城市建设学院,福建 福州 350118;2 福建省计量科学研究院,福建 福州 350003)摘要:针对某大型轴流风机噪声高的问题,提出了一种通过改进圆锥形扩压器角度设计,以此来降低风机气动噪音的数值模拟分析方法。首先,以某蒸发空调用轴流风机为研究对象,利用风洞实验台和声学实验室,分别测试了该风机的性能及其噪音特性;然后,基于 LES 方法和 FW-H 方程相结合的声类比方法,采用 Fluent 对其进行了模拟计算,并将结果与风机的流动和声场实验结果进行了对比验证;最后,利用数值模拟的方法,分析了 3 种圆锥形扩压器扩压角度(8、9、10)对风机静压恢复系数和噪声频谱的影响。研究结果表明:(1)3 种不同扩压角度的扩压器均能降低风机的气动噪声;(2)当扩压角为 9时,风机出口处的旋涡明显减小,静压恢复系数最大为 0 654,且与无扩压器相比,人耳最敏感区域 2 000 Hz 4 000 Hz 的噪声降低幅度最大,可降低 4 7%。该研究可为该类轴流风机的降噪提供参考。关键词:通风机;静压恢复系数;气动噪声;噪声频谱;风机性能;数值模拟中图分类号:TH43;TM925 12文献标识码:A文章编号:1001 4551(2023)02 0239 06Influence of diffuser on noise of axial flow fanFAN Ya-ming1,SONG Chao2,ZHENG Min-feng1,SHEN Jin-chai1,ZHAO Lu1(1 School of Ecological Environment and Urban Construction,Fujian University of Technology,Fuzhou350118,China;2 Fujian Institute of Metrology,Fuzhou 350003,China)Abstract:Aiming at controlling the noise radiated from an large axial-flow fan,the numerical study was conducted to study the influence ofconical diffuser angle design on the aerodynamic noise of the axial flow fan Firstly,the flow and acoustic characteristics of an evaporativecooling axial fan were investigated through the experiments conducted in a wind chamber and anechoic chamber Moreover,the flow field wassimulated using the large eddy simulation(LES)method,and the aerodynamic noise was predicted using acoustic analogy based on the FfowcsWilliams-Hawkings(FW-H)equation Then simulation results were successfully validated compared to the performance experimental data ofthe axial flow fan Finally,the impacts of three diffuser angles(8,9,10)on the static recovery coefficient and the noise spectrum werenumerically analyzed with Fluent The results show that three conical diffusers could made a decrease in the aerodynamic noise The researchresults show that:(1)the diffusers with three different expansion angles can reduce the aerodynamic noise of the fan;(2)when thediffusion angle was 9,the vortex at the fan outlet was significantly reduced,the static pressure recovery coefficient was 0 654,and theCompared with no diffuser,the noise reduction in the most sensitive area of the human ear from 2 000 Hz to 4 000 Hz was the largest,whichcan be reduced by 4 7%This study can provide a reference for reducing noise reduction of axial fans for large-scale evaporative airconditionersKey words:ventilating fan;static recovery coefficient;aerodynamic noise;noise spectrum;fan performance;numerical simulation0引言作为节能环保型蒸发冷却空调输送气体介质的关键设备,大型轴流风机的气动噪音是蒸发空调的主要噪声源。目前,市场上送风量大于20 000 m3/h 的大型蒸发冷却空调,行业内普遍噪音在 75 dB(A)以上,已经超出国家所制订的最低标准。因此,如何在满足风机气动性能前提下,降低轴流风机噪音成为了当前急需解决的问题。针对现有大型蒸发空调用轴轴流风流风机出口扩压器,李松等人1 采用逆向建模法,在农用出口端设置了扩压器,将部分动压转化为静压,以便提高风机的静压效率,降低风机的气动噪声;但是该结果并不适用于蒸发空调用轴流风机。张伟等人2 采用风洞实验法,探究了扩压器的几何参数对风机性能的影响,结果发现,当叶轮与扩压器的径向间隙比值 3/2由 1 03增加到 1 07 时,A 声级噪声降低了 3 dB(A),起到了良好的降噪效果;但是该研究只针对于离心机的降噪有效,而无法适用于轴流风机。赵悦等人3 采用三维稳态分析法,通过对单通道叶轮进行了气动性能分析,结果发现,长叶片扩压器稠度值在 1 203 时,具有较高的稳定工作范围和等熵效率;但是该研究缺少实验环节,研究结果未得到验证。NEMA U 等人4 通过改变扩压器长度,并保持扩压角不变,对风机进行了研究,结果发现,最长的扩散筒总压损失和总压损失系数最大;同样,该研究由于缺少实验,导致其结论的有效性无法得到验证。刘军等人5 采用 NUMCA 计算分析法,对无叶扩压器、7 叶片扩压器和 11 叶片扩压器进行了数值模拟,并拟合得到了其性能曲线,结果发现,叶片扩压器能够在一定范围内提高其效率和静压比;但是该研究并没有涉及对气动噪声的分析。闫玥等人6 采用大涡模拟分析法,对直线、等压力梯度、等速度梯度和相切双圆弧 4 种型面的锥形扩压器进行了数值分析,结果发现,等压力梯度和等速度梯度型面的扩压器总体性能更好,其静压系数也最大;但是该研究是在固定的边界条件下进行的,因此其实际使用的效果未知。CH A 等人7采用瞬态分析法,并通过优化扩压器结构,提升了压气机的性能;但该研究并没有将其应用于轴流风机,并对其应用效果进行验证。另外,部分学者8,9 采用数值分析法,对扩压器性能进行了研究,结果发现,进口条件对扩压器流动状况和性能产生了较大的影响;但是该研究没有考虑进口条件对气动噪声的影响。通过上述分析可知,目前国内针对扩压器应用的研究仅限于离心机,而缺少扩压器对轴流风机性能和降噪方面的探讨。为此,笔者研究适用于大型轴流风机,且简单易造的圆锥型扩压器,通过改变扩压器的扩压角度,探究其对风机扩压性能和气动噪音的影响。1实验装置此处实验装置是由福州市澳蓝实业有限公司提供的国家级风洞性能平台和消声实验室。其中,风洞型号为 AZL30ZS32B,测量电机使用三相异步电机(型号 MEP100L14,功率 2 2 kW),噪声依据消声室和半消声室精密法(GB/T 68822016)方法进行测量。测试仪器有分析仪(AWA6290M3)、声校准器(AWA6221A)。实验装置如图 1 所示。图 1实验装置2模型建立与网格划分2 1流场物理模型流场尺寸按照风洞实验室大小建立,在 Solidworks 中建模总共分为 4 个流域。流场尺寸如图 2 所示。由图2 可得:流场域包括进口域、旋转域、扩压域及出042机电工程第 40 卷图 2流场尺寸口域。其中,进口长度为1500 mm,出口长度为5000 mm。2 2扩压器模型圆锥形扩压器的扩压角一般取值为 8 12,几何参数选用种类 1 的数据10。扩压器示意图如图 3 所示。图 3锥形扩压器由图 3 可得:D1为 D,D2为 1 1D,N 为 0 4D。本次风机所装备的圆锥型扩压器 D1为 735 mm、D2为 808 5 mm、N 为 294 mm(即扩压角度为 8),另外两组扩压器参数保持 D1、N 均不变,增大扩压角度至 9、10,分别命名为 A8、A9、A10。2 3网格尺寸笔者结合风机与流场的特点,对进出口域采用六面体网格进行划分,对复杂的旋转域和扩压域采用适应能力强的四面体网格。因 Fluent 采用有限体积法求解,所以 Y+为所选取网格中心到壁面的距离,因此边界层第一层高度为 2y。Y+表达式如下:Y+=utyv=1(1)式中:ut近壁面的流体速度,m/s;v空气的运动黏度,m2/s。噪声分析采用的湍流模型,对第一层网格高度的求解要求 Y+接近 1 时求解最佳。笔者在稳态下采用的湍流模型是 enorm alization Group k-epsilon(NGk-)模型,壁面采用非平衡壁面函数,其 Y+取值(5 200)。网格示意图如图 4 所示。图 4网格示意图由图 4 可 得:最 后 可 算 得 第 一 层 网 格 高 度为0 034 mm。体网格划分完成之后,笔者对整体质量进行优化,其中,进出口域最大 skewness 值在 0 85 以下,旋转域最大 skewness 值在 0 9 以下,符合计算要求。通过分析得出网格无关性验证结果如图 5 所示。图 5网格无关性由图 5 可得:对比风机送风量,网格数量加密到5 0 106左右时,流量趋于稳定。由此可以认为,网格数量与计算结果之间无关联性,满足计算要求。3风机气动性能与实验对比3 1流场与声场计算模型稳态湍流模型选择 NG 模型。进出口边界条件分别为:风机进口相对压力为 0 Pa,出口压力为不同流量对应的静压。壁面采用无滑移条件,旋转区域使用多重参考

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