叶片式流体机械噪声特征、研究方法及控制技术

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　　叶片式流体机械噪声特征及机理

　　叶片式流体机械结构和流动特征

　　结构特征：运动、静止部件

　　流动特征：剧烈的非定常流动

　　      · 动静干涉流动(势流、尾迹)

　　      · 无规则湍流运动(进气畸变、边界层流动、分离流动)


　　叶片式流体机械噪声产生和传播机理——基于声源类型分析

　　叶片式流体机械噪声产生和传播机理——基于噪声特征分析
　　(1) 离散噪声
　　声源特征：
　　      · 势流和尾迹的动静干涉

       尾迹干涉扰动——向下游以当地流动速度的传播


　　势流干涉扰动——向上、下游以音速传播

　　      · 周期性涡脱落、分离流动

       传播特征：
　　      · 旋转声源辐射

       (2) 宽频噪声
　　      · 进气畸变
　　      · 近壁区域的复杂流动，湍流边界层、尾迹、分离流动
　　      · 叶顶间隙

       流动宽频噪声机理复杂，是目前噪声研究和控制中需要解决的一个重要难题!

　　工程实例分析

　　叶片式流体机械噪声实验测量

　　噪声实验测量的环境——消声室
　　自由声场：声场中只有声源辐射出来的声音，而没有周围边界的反射声。

　　消声室：室内各表面都敷设吸声系数大于0.99的吸声结构

　　吸声结构：尖劈+穿孔板(共振腔)

　　考核参数：
　　理想自由场接近程度：采用点声源辐射声压与距离成反比特性，误差≤0.5dB;

　　本底(背景)噪声：比被测对象的声压级低6-12dB;

　　低频截止频率：取决于吸声尖劈的长度，一般满足1/4波长特征。

　　噪声实验测量的环境——声学风洞
　　声学风洞：兼具风洞和消声室特征，主要应用于航空、汽车行业。

　　噪声实验测量的仪器——传声器
　　传声器：测量声压的传感器，俗称麦克风。

　　尺寸规格：直径1、1/2、1/4、1/8 in

　　主要性能参数：通常与尺寸有关
　　      · 频率响应：20-40kHz
　　      · 灵敏度：~50mV/Pa
　　      · 量程：25-140dB
　　      · 指向特性：自由场型

　　校正方法：互易法、声级校准器。

　　自由场的噪声声功率的测量
　　(1) 无指向性声源辐射的声功率测量

　　(2) 指向性声源辐射的声功率测量

　　半自由场的声功率测量

　　叶片式流体机械噪声数值预测

　　预测流程：
　　      · 声源获取
　　      · 声源辐射
　　      · 边界散射

       声源获取：
　　      · 计算区域离散
　　      · 控制方程选取与离散
　　      · 非定常流动数值模拟+声源信息获取

　　叶轮和蜗壳网格的划分：
　　      · 分区独立划分网格
　　      · 网格无关性原则
　　      · 近壁区域网格尺度取决于湍流模型
　　      · 单个网格单元满足紧凑声源条件

　　控制方程+湍流模型：
　　      · 空间和时间离散格式
　　      · 时间离散步长

       非定常流动数值模拟：
　　      · 初始条件、边界条件设定
　　      · 计算收敛的判定


　　声源的定义：Define_Models_Acoustics Model(Fluent)Fluent6.3及更高版本能够选择虚拟边界，但忽略边界外的四极子源项。

　　声源的输出形式(Tecplot)：

　　声源辐射
　　时域求解方法：Fluent等软件或自编程处理

　　频域求解方法：自编程处理

　　求解过程及后处理：
　　      · 采样采数(时间步数)的选取

             · 观察点的设置
　　      · 频谱图的生成
　　      · 二维指向性图的生成(Origin)
　　      · 三维声场等值线图的生成(Tecplot)

　　边界散射(边界元方法)

　　重点关注的三个问题：
　　      · 数值解的非唯一性问题;
　　      · 薄壳体边界的病态矩阵处理;
　　      · 高阶奇异积分的处理。

　　Mao Y，Qi D. Computation of rotating blade noise scattered by a centrifugal volute. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A, Journal of Power and Energy. 2009,223(8):831-842.

　　叶片式流体机械噪声控制方法

　　动静(位势、尾迹)干涉噪声的控制——动、静部件之间的相对位置控制降低位势和尾迹干涉

　　(1) 增加动、静部件之间的距离，甚至取消静止部件，降低甚至消除位势和尾迹干涉。(离心压缩机中尽量采用无叶扩压器而不采用叶片扩压器)

　　过近的动静部件间距不仅产生较强的噪声，而且还容易导致下游叶片的疲劳断裂。

　　动静(位势、尾迹)干涉噪声的控制——动、静部件之间的相对位置控制降低位势和尾迹干涉

　　(2) 控制动、静部件之间的相位，错开位势、尾迹干涉的峰值。(轴流式叶轮机械中周向、轴向倾斜或非等距布置的动、静叶片;离心式叶轮机械中采用变出口半径叶片或倾斜蜗舌)

　　动静(位势、尾迹)干涉噪声的控制——尾迹气流的控制

　　(1)叶片尾缘切削。

　　(2)运动、静止叶片内部开设微气流通道。

　　(3)静止叶片尾缘附近机壳上开设喷气孔。

　　叶顶间隙流动噪声的控制

　　叶顶间隙与性能和气动噪声都紧密相关!

　　声衬
　　广泛应用于各种场合下的宽频噪声研究，在叶轮机械中要注意具体结构和流动损失的控制。

　　Gu Y, Qi D, Mao Y, Wang X. Theoretical and experimental study on the noise control of centrifugal fan combining absorbing liner and included tongue. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A, Journal of Power and Energy. 2011,226(6):789-801.

　　来源：声振之家公众号整理自西安交通大学能源与动力工程学院毛义军的《风机噪声与控制》PPT讲义