萊特希爾聲類比方法(風機檢測)

1.3.2.3 萊特希爾聲類比方法(Lighthill's Acoustic Analogy)

萊特希爾方程源于流體力學N-S方程[61]【62],其方程形式為

    式中為萊特希爾應力張量。如果將方程左邊看成源項,則方程為典型的聲學波動方程,可以用已成熟的古典聲學方法來求解,對于方程右邊的應力張量,可以通過實驗或計算流體力學方法計算得到。萊特希爾所提出的這種聲類比方法在解決實際問題過程中獲得了極大成功。后來,福茨威廉姆斯

    方程右邊第一項表示容積移動效應引起的單極子聲源,第二項表示由物體表面作用在流體上的力引起的偶極子聲源,第三項表示由流體運動引起的四極子聲源[?][64]。隨著計算流體力學的發展,目前很多商用CFD軟件中已經包含萊特希爾聲類比聲學模型[65]。一般來說,首先需要對流場進行計算,然后使用聲類比理論將流場數據轉化為聲源,最后計算聲場轄射。萊特希爾聲類比方法計算氣動噪聲的最大優點是將聲音的產生和聲音的傳播分別計算,與計算氣動聲學方法相比,計算量和計算格式要求較低。此外,根據奈奎斯特釆樣定理,可還原的最高信號頻率只有釆樣頻率的一半,因此在對流場進行瞬態計算的時候,設置的時間步長能與計算氣動噪聲的最高頻率對應。

1.4本文的研究內容

    針對于目前傳統無葉風扇擴散型出風內表面,本文提出了帶收縮型出風內表面的無葉風扇的設計思路,依此為依據進一步設計了兩款無葉風扇(其中出風口間隙小于5 mm稱為小間隙無葉風扇,大于5 mm稱為大間隙無葉風扇)在相同功耗的情況下,用以克服傳統無葉風扇小間隙、高壓阻和內置風機髙轉速、高噪音的缺點。本文釆用先數值模擬,后實驗驗證的思路,完成新型無葉風扇和內置風機的設計與研究。同時鑒于無葉風扇和內置微型風機結構與流場差異很大,數值研究采用無葉風扇和風機分開建模,獨立計算的方法,以無葉風扇性能需求作為內置風機設計的依據。本論文的主要工作如下:

    首先,闡述了無葉風扇的設計思路,設計了一款帶有收縮型出風內表面、小間隙出風的無葉風扇.通過流場分析驗證收縮型內表面設計方案的可行性,同時用數值模擬的方法研究收縮角和入口速度環量對小間隙無葉風扇性能的影響,為無葉風扇及內置風機設計提供依據.為滿足小間陳無葉風扇的性能需求,同時石家莊風機廠達到風機降轉速的目的,提出了兩級微型風機的設計思路。為了研究微型風機葉片非等節距布置的降噪效果,設計了5種葉片分布方式,以單級風機為例,用數值模擬的方法研究葉片分布方式對風機氣動性能和聲學性能的影響,找到葉片最佳分布方式.在此研究基棚上設計兩級風機,對兩級風機的流動特性和氣動聲學特性進行數值研究,對比模型風機相似工況的噪聲情況,在效率不下降的前提下,達到降噪效果。

    其次,實驗研究模型風機與底座安裝間距對風機進口噪聲的影響,為無葉風扇內置風機的安裝提供參考。對小間隙無葉風扇和內置兩級風機樣機進行實驗研究,與模擬結果進行對比,驗證了研究思路和設計方案的可行性.

    再次,為了降低無葉風扇氣流阻力,設計了一款帶有收縮型內表面大間隙出風的無葉風扇。鑒于大間隙無葉風扇出風不均句的情況,在風扇出風口增加了格柵設置,不斷調整格柵密度,達到了均勻、髙效的出風效果;在此最佳格柵密度的基礎上又深入研究了收縮角對大間陳無葉風扇出風效果的影響,最終找到該模型下的最佳收縮角。

    最后,為了滿足大間隙無葉風扇性能,設計了一款帶后置空間導葉的大流量低風壓混流風機,對大流量風機性能和噪聲級進行預測,對比模型風機相似工況的噪聲情況,在效率不降的前提下,達到了降噪效果。