离心风扇噪声详细仿真优化，全网独此一篇

兼济天下

最近几年工作需要看了四五百篇风机降噪案例和文章，关于离心风扇噪声详细分析优化真是凤毛麟角。独此一篇，请君珍惜。

第一节：模型介绍

2016年Sanjose等通过PowerFLow研究建筑行业和高速列车上最常用的离心风机通风设备，如图1所示。内置离心风机直径500mm,转速1200rpm。测试过程中两侧出风口均布置麦克风。

灵魂拷问，为何在出口地板上布置海绵？？？

图1:离心风机通风设备

仿真模型参照半消声室进行设置，图示为通风模块以及前后出风口监测点。仿真空间壁面和天花板均设置吸声边界，风机附近最小网格尺寸设置为1mm,对应最小时间步长为1.65e-6s。图2中黄色矩形区域对应热交换器，PowerFlow中设置成多孔阻尼模型。出口安装风速测量装置获得法向速度分布特性，如图3所示。

图2:仿真模型和测点

图3:设备出口风速测试装置

第二节：流场结果

前后出口风量实测和仿真对比数据显示两侧仿真结果均低于实验结果~12%，如图4所示。图5对比出口法向速度分布表明仿真结果顶面和地面区域速度低于实测，说明仿真计算中边界层厚度预测与实际不符，可能的原因是当前模型中壁面附近网格尺寸不足以捕捉边界层流动。

图4:设备两侧风量仿真和实验对比

图5:设备出口风速分布仿真和实验对比

风机设备内流场如图6所示，风机上游流体在进风腔内出现大尺度流动分离，并在风机进口形成非均匀来流。以往文章：来流噪声中测试数据表明来流不均匀会造成非常明显的叶片BPF离散噪声，可以在进口安放过滤装置来抑制紊流强度。

右图中凸台形状的轮毂附近显示非常明显流动分离现象，此处流动分离靠近叶片前缘导致叶片与来流之间攻角形成非周期性波动，导致宽频噪声上升。

图6:设备内部和风机截面流场分布

第三节：声学结果

测试与仿真声压级分布对比如图7所示，图中PF表示PowerFlow仿真结果。对比结果表明PowerFlow可以有效捕捉风机在3000Hz以内频谱分布特性，不仅是宽频噪声，而且还包括离散噪声。注意测试频谱中3000~5000Hz声压级主要来自变压器电磁噪声。

图7:测点测试与仿真声压级分布对比

主要声源频带对应的壁面压力脉动如图8所示，其中压力脉动最高位置处于前缘叶尖位置，可能的原因是不均匀来流导致。其次为前缘叶根位置，推断或许受到轮毂附近流动分离激励。

图8:壁面压力脉动分布

第四节：优化结果

为了抑制叶片前缘压力脉动，分别改正凸台轮毂形状为流线型，以及在风机进口安防整流滤网降低来流不均匀和湍流强度。图9显示三种不同方案流场和风机壁面压力脉动强度对比。流场结果显示新轮毂（NH-PF）附近流动分离被抑制，但是风机流道内速度上升。相反的风机上游安装过滤装置虽然不能消除轮毂附近流动分离，但是可以明显降低叶轮流道内速度大小。壁面压力脉动对比表明新轮毂会导致叶尖前缘位置激发更高声压级，而增加滤网后叶片整个前缘声压级均明显降低。降低风机流道内速度从而抑制气流与叶尖冲击强度或许是当前风机降噪的正确方向。

图9:风机截面流场、壁面压力脉动分布对比

图10黑色实线为新轮毂测试噪声声压级分布，红色（右图绿色）实线为对应的仿真结果，蓝色（右图桔色）虚线为原始模型仿真结果。在新轮毂模型下仿真与测试频谱分布一致，不仅表现在宽频噪声，而且离散频率也能精确预测。原始模型和新轮毂频谱分布对比显示新轮毂在0~1000Hz主要声源贡献频率范围内声压级有上升趋势。

图10:测点测试与仿真声压级分布对比

如图11显示原始模型与安装过滤装置声压级分布对比，结果表明风机进口安装过滤装置能够显著降低0~2000Hz声压级~10dB。其中M1测点处宽频噪声和BPF离散峰值均明显下降，但是M2测点处BPF峰值下降幅度较小。进口增加滤网装置降噪机理主要有两个，首先滤网阻尼属性降低了风机流量，其次滤网整流作用抑制风机进口流动不均匀以及湍流强度。

图11:测点仿真声压级分布对比

图12显示上述三个模型测试和仿真结果总声压级对比，结果表明PowerFlow仿真结果趋势与测试结果一致。当前离心风机通风设备仿真和实测总声压级相差3~5dB，注意测试声压级一部分贡献来自结构和电磁，这些声源在仿真结果中并不存在。不同模型中测点M2总声压级均高与测点M1,主要是因为M2点一部分声学贡献直接来自于设备进口。

图12:测点总声压级分布对比

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