舰船科学技术  2020, Vol. 42 Issue (2): 126-131, 136   PDF    
船用离心风机流动诱发噪声定量研究
张建华1, 楚武利2,3, 张晶辉1     
1. 西安航空学院 飞行器学院,陕西 西安 710129;
2. 西北工业大学 动力与能源学院,陕西 西安 710072;
3. 先进航空发动机协同创新中心,北京 100191
摘要: 对于进出口管道开口的大型船用离心风机,其内部非定常流动诱发的噪声是气动噪声和振动噪声的耦合且噪声以基频为主。本文通过数值计算方法定量研究了风机最高效率点(BEP)的基频噪声辐射,包含叶轮气动噪声、壳体气动噪声和壳体振动噪声。基于声学有限元方法,利用FW-H方程耦合URANS流场计算结果数值计算了离心风机的噪声辐射;以流动诱发壳体振动的压力脉动为噪声激励源,基于声学有限元方法,计算了壳体振动噪声辐射。结果表明,壳体基频气动噪声是风机噪声的主要贡献量(87 dB),其次是叶轮基频气动噪声(71 dB),壳体基频振动噪声最小(57 dB)。噪声叠加使总噪声辐射增加了0.9 dB,但是声场的指向性没有发生变化。
关键词: 离心风机     非定常流动     气动噪声     振动噪声     声学有限元方法    
A quantitative study of fluid-induced noise of a marine centrifugal fan
ZHANG Jian-hua1, CHU Wu-li2,3, ZHANG Jing-hui1     
1. School of Aircraft, Xi'an Aeronautical University, Xi'an 710072, China;
2. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China;
3. Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine, Beijing 100191, China
Abstract: For the large marine centrifugal fans with inlet and outlet pipelines opened, the centrifugal fan noise induced by internal unsteady flow is coupled part of aeroacoustics and vibroacoustics, which presents blade passing frequency (BPF) characteristic. In this paper, the BPF noise of the best efficiency point (BEP) of the fan is quantitatively studied by numerical calculation method, including aerodynamic noise of the impeller, aerodynamic noise of the casing and vibrational noise of the casing. Applying the acoustic FEM method, the FW-H equation coupled URANS results of fluid was used to simulate the noise radiation of a centrifugal fan. Besides, based on the acoustic FEM method and took the casing fluctuations induced by the internal unsteady flow as the vibrational noise source, the vibrational noise of casing is calculated. The study results shows that: the BPF aerodynamic noise of casing (87 dB) is the main contribution component of the fan noise, the aerodynamic noise of blade surface (71 dB) is second, and the vibrational noise of casing (57 dB) is the smallest. The noise superposition increased the total noise radiation by 0.9 dB, but the directivity of the noise did not change.
Key words: centrifugal fan     unsteady flow     aero-acoustics     vibro-acoustics     FEM acoustic method    
0 引 言

离心叶轮机械在运行过程中的强噪声辐射严重危害了工作人员的身心健康,也对设备安全运行带来了隐患。从噪声产生机理上分析,风机的噪声分为叶轮内部湍流运动激发的湍流噪声,叶片壳体偶极子源激发的偶极子源噪声,还有气动力激励壳体振动产生的振动噪声。前两类可以归为气动噪声,后一类归为结构噪声[1]。目前绝大多数研究集中在气动噪声上,且大多表现为离散单音特性[2-6]。此方法利用CFD技术求解非定常流场获取噪声源信息,基于Lighthill声比拟理论及其特殊方程(求解固定壁面声场的Curle方程,求解旋转运动声场的FW-H方程等)以及求解涡流噪声的Powell涡流声理论等诸多气动噪声预测方法获取远场声压。主要分为2个步骤:1)近场非线性流场的CFD瞬态计算,得到叶片和蜗壳表面的脉动力,即获取噪声源时域数据;2)以叶片和蜗壳表面的脉动力快速傅里叶变换(FFT)得到的频域解作为点声源激励,采用Lighthill声比拟理论及其特殊方程形式得到远场声压。Younis等[3]应用非定常雷诺时均应力方程(URANS方程)和FW-H方程对某型多翼离心风机叶片单极子和偶极子噪声进行了数值预测和分析;Khelladi等[7]通过URANS和 Lowson公式结合的方法,求解了某型离心风机叶轮叶片和扩压器叶片单极子和偶极子源激发产生的气动噪声;Suarez等[8]结合URANS和Powell涡声理论对某型后向离心叶轮和蜗舌间隙对风机噪声的影响进行了研究和分析;Liu等[9]创造性地结合大涡模拟(LES)、FW-H方程和Powell涡声理论等方法对带有蜗壳的离心风机叶片和蜗壳偶极子源离散单音噪声和涡流引发的四极子宽频噪声进行了数值预测研究,为了在计算中考虑叶轮和蜗壳的固体边界对声波传播的影响,Tournour[10]和Cai[11]等采用声学边界元法求解远场噪声,但是求解得到的噪声是建立在自由场边界基础上的,预测精度有损失。为了考虑复杂边界(叶片和蜗壳边界)对声传播的影响,张建华等[12]提出了一种基于声学有限元方法,此方法将风机的气动噪声预测分为2个主要步骤:1)基于URANS求解叶片和蜗壳偶极子噪声源;2)通过频域变换和Galerkin方法离散求解FW-H方程,并成功地对此风机气动噪声进行了数值预测。本文将采用此方法获得风机的离散单音噪声。事实上风机的非定常流动诱发的噪声属于流固耦合噪声,叶轮和蜗壳是弹性体结构,尤其在大型风机中蜗壳的振动不可忽略。风机的振动噪声研究文献较少,Koopmann[13]首次提出了一种基于边界元(BEM)计算和实验测量相结合的预测方法;Cai[11]和 Liu[14]发展这种方法,并数值预测了工业用离心风机蜗壳振动声辐射。张建华[15]基于声学有限元方法(FEM)并考虑蜗壳壁面对声波的散射和反射作用,结合流固声单向耦合方法数值预测了壳体振动声辐射。事实上,带有壳体的大型离心风机噪声主要分为气动噪声和振动噪声,风机在运行过程中的噪声是多种噪声源激发的噪声的相互抑制和相互叠加,然而,很少有学者对风机的噪声进行定量的分析。本文针对大型船用离心风机多噪声源(叶轮偶极子源、壳体偶极子源、结构振动激励源)激励特点,对上述多噪声源进行定量预测和分析,确定主要的噪声分量。

1 离心风机噪声计算模型 1.1 离心风机模型参数

以某船用离心风机为研究对象,该风机依据使用环境不同,分为2种安装状态:进出口开口和进出口连接有封闭长管道,本文所研究的风机处在第1种安装环境下,该风机具体参数见表1