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阶梯蜗舌蜗壳降噪的分析和实现

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阶梯蜗舌蜗壳降噪的分析和实现

李 栋 顾建明/海交通大学制冷与低温工程研究所

摘要:介绍了阶梯蜗舌技术,并将其应用于一种排油烟离心风机,运用CFD软件Fluent6.0对常规蜗舌和阶梯蜗舌蜗壳进行了二维流场的数值模拟,并作了对比,从而探讨了阶梯蜗舌降噪的机理。最后分别对两种蜗壳的风机进行了噪声和其它性能参数的测量。结果表明,阶梯蜗舌蜗壳是一种有效的降噪措施。
关键词:离心式通风机 阶梯蜗舌 数值模拟 噪声 蜗壳
中图分类号:TH432 文献标识码:A
文章编号:1006-8155(2005)03-0003-04
Abstract:Technology of step-volute tongue is introduced and applied to a centrifugal fan for discharging lampblack. Numerical simulation of Two dimensional flow field for centrifugal fans with traditional volute tongue and step-volute tongue is carried out via Fluent6. 0 CFD Software. A comparison of flow field of centrifugal fans with two kinds of volute tongue is made toreveal the mechanism of step-tongue denoising. Measurement of noise and other performance parameters for two kinds of centrifugal fan is made. The result showsthat the step-volute tongue is an effective denoisingmeasure.
Key words : Centrifugal fan Step-volute tongue Numerical simulation Noise Scrol
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1  引言
  离心通风机所产生的噪声已经成为环境污染的一个重要来源,对人们的生产和生活产生了严重的影响。在众多影响离心通风机噪声的因素中,蜗舌噪声最为人关注。引起离心通风机蜗舌噪声的主要原因是叶轮排出的气流与蜗舌的相互作用所致[1]
   经过大量实践和理论分析,人们已经提出了许多降低蜗舌噪声的方法,如:
  (1)合理的设计蜗舌半径和蜗舌与叶轮的距离[2,7];
  (2)采用倾斜蜗舌来降低噪声[3];
  (3)采用蜗舌消声器降低噪声。如 ,1/4波长共振器,Helmholtz消声器,微穿孔板消声器 ,宽频蜗舌消声器等[4,5]

2  降噪的新思路———阶梯蜗舌
  由于蜗舌噪声是离心通风机的一个主要噪声源,笔者通过长期的理论分析和试验研究,提出了一种可以降低蜗舌噪声的新型结构,蜗舌—阶梯蜗舌(见图1,已申报发明专利,并已授权)[6]。传统的单蜗舌蜗壳离心通风机,其蜗舌与叶轮外缘的间距之所以要有一个最佳范围,是因为间距太小,气流流过蜗舌与叶轮外缘的间隙时,就会产生啸叫声;若间距大了,尽管气流对蜗舌的冲击情况会有所改善,但却会有一部分气流在蜗壳里边随着叶轮不停地循环,这既消耗了功率,又减少了流量;同时还会与叶轮出口的气流发生周期性地撞击,从而产生低频振荡或共鸣,导致噪声增大。而采取阶梯蜗舌蜗壳降噪,便可使两个蜗舌各司其职,下蜗舌可用来保证风机性能必要的间距,上蜗舌则可拉开更大的间距,以使气流对蜗舌的冲击情况得到改善。从而可突破所谓的最佳范围禁区。其技术方案:将原来的一个蜗舌改成两个蜗舌 , 结构形成阶梯状。图1是这两种类型蜗舌的结构简图。
  笔者将阶梯蜗舌技术应用于一种排油烟离心通风机,采用前弯叶片,叶片数为42,转速900r/min,设计流量为900m3/h,全压为130Pa; 传统设计蜗舌的蜗壳和阶梯蜗舌的蜗壳几何简图见图2和图3。运用通用CFD软件Fluent对传统设计蜗舌和阶梯蜗舌两种离心通风机流场进行了二维数值模拟,解释了阶梯蜗舌降噪的机理。并且用声级计对两种风机进行了噪声测量。

图1 单蜗舌与阶梯蜗舌蜗壳的结构简图


图2 传统设计蜗舌的蜗壳



图3 阶梯蜗舌的蜗壳

3  数值仿真
3. 1 运用 GAMBIT2.0对两种风机进行建模
  图4和图5分别为两种风机的计算几何模型及网格。对叶片表面及蜗舌附近的壁面采用了边界层网格(网格相对较细)。由于考虑到叶片进口附近有涡流出现,为了使计算收敛,把速度进口边界放在了小于内径的圆周上。蜗壳出口为压力出口边界。为了在fluent计算中用Multiple Reference Frame(MRF)模型 ,把整个流体区域划分为A,B,C三个区域。区域A,B,C的网格类型分别为Quad-Map(四边形网格),Tri-pave(三角形网格),Tri-pave,间隔尺寸分别为 8mm,1mm,2mm 。

3  数值仿真
3.1 运用GAMBIT2.0对两种风机进行建模
  图4和图5分别为两种风机的计算几何模型及网格。对叶片表面及蜗舌附近的壁面采用了边界层网格(网格相对较细)。由于考虑到叶片进口附近有涡流出现,为了使计算收敛,把速度进口边界放在了小于内径的圆周上。蜗壳出口为压力口边界。为了在fluent计算中用MultipleReferenceFrame(MRF)模型,把整个流体区域划分为A,B,C三个区域。区域A,B,C 的网格类型分别为Quad-Map(四边形网),Tri-pave(三角形网格) ,Tri -pave , 间隔尺寸分别为8mm,1mm,2mm 。

  1. 速度进口边界  2. 压力出口边界
3. 区域 A 4. 区域 B 5. 区域 C
图 4  传统设计蜗舌风机的计算模型及网格

  1. 速度进口边界  2. 压力出口边界
3. 区域 A 4. 区域 B 5. 区域 C
图 5  阶梯蜗舌风机的计算模型及网格

3. 2  运用 Fluent6 对流场进行数值计算
  计算中把空气视为不可压缩流体,流动处于旺盛紊流状态,不考虑温度效应。选取标准K-ω(ω= ε/k) 紊流模型,控制方程如下:

 

  对于区域B的流体采用旋转参考坐标系,转速为900r/min。把设计流量(900m3/h) 进行换算得到气流进口边界处的速度为7.958m/s,气流出口压力为大气压。离散采用有限容积法。由于流场中存在较大的压力梯度,所以对压力采用PRESTO!格式。速度和压力耦合采用SIMPLE算法,动量方程,紊流动能和比耗散率采用两阶迎风格式。其中将动量方程迭代的亚松驰因子取为0.3,其他的都取作默认值。
3.3 计算结果及分析

图 6  传统设计蜗舌风机蜗舌附近的速度场

图 7  阶梯蜗舌风机蜗舌附近的速度场

  图6和图7分别给出了传统设计蜗舌风机蜗舌附近的速度场,从图中可以看到:
  (1)传统蜗舌附近(A)速度矢量方向变化剧烈,而且计算结果显示这一区域局部速度可达 60 ~72m/s,所以流经这一区域的流体将对蜗舌产生很大的冲击力,从而产生很大的噪声。而在阶梯蜗舌附近流经上面蜗舌附近(A)的流体速度矢量方向变化不大,而且计算结果显示这一区域局部速度为 36~41m/s,较前者大大降低,从而可预期产生的噪声比前者小。
  (2)传统蜗舌风机出口靠近蜗舌处(B区域)产生了一个很大的涡流,并且壁面有边界层分离现象,此处产生的涡流将被主流带走,对此处的壁面产生冲击力,从而会产生噪声。而阶梯蜗舌风机相应区域 (B)涡流就要小得多,而且基本上都在出口处 , 因而产生的冲击力要小得多 , 所以也可以使噪声比前者有所降低。阶梯蜗舌附近涡流位置已靠近出口的原因是由于蜗舌后的扩压出口段很短。图8给出了把阶梯蜗舌后出口段加长后的流场,从图中可以看出加长后 , 也出现了一个涡流 ,但同图6的传统蜗舌相比,其范围和强度要小,并且与前者相比,涡流离蜗舌要远一些。可见即使加长了出口段,其涡流产生的噪声也会比传统蜗舌的小。

  (3)从图中还可以看出两者的叶轮出口都有速度不均匀气流 , 并且有涡流存在。传统设计的蜗舌由于离叶轮较近 , 所以不均匀气流及涡流与蜗舌的相互干涉作用就比较强 , 所以产生的噪声比较大。而阶梯蜗舌由于离叶轮出口较远 , 所以这种作用就小得多 , 这也是其降低噪声的原因之一。



图 8  阶梯蜗舌风机出口段加长后的流场

试验及结果
    性能试验装置按GB/T1236-2000《工业通风机用标准化风道进行性能试验》,噪声测试测点布置按 GB /T2888-91《风机和罗茨鼓风机噪声测试方法》。差压计型号为 TestoT512,采用AWA6270测量噪声。测试结果如表1。
                  表1 试验结果数据表

参数
单位
传统蜗舌蜗壳
阶梯蜗舌蜗壳
转速
r/min
870
865
全压(试验)
Pa
128
122
全压(数值模拟)
Pa
149.7
141.6
流量
m3/h
911
876
噪声级
dB(A)
55
52

  全压的数值模拟结果跟试验结果之间存在误差的主要原因是因为计算中采用了二维流场代替三维流场。试验结果显示,采用阶梯蜗舌蜗壳的风机的噪声级比传统蜗舌蜗壳风机噪声级降低了3dB(A),而全压和流量降低并不大。可见阶梯蜗舌在保证风机性能的前提下降低了噪声。

5  结论
  (1)数值模拟结果显示,离心通风机采用阶梯蜗舌后,蜗舌附近的气体流动状况跟采用传统蜗舌相比有了明显的改善,在较大程度上减少了气流对蜗舌的冲击,而且涡流也减少了,从而降低了噪声。
  (2)试验结果证实,同采用传统蜗舌的风机相比,采用阶梯蜗舌的风机在保证性能变化不大的前提下 ,明显降低了噪声。

参考文献

[1]黄其柏,卢文样,师汉民等.离心风机蜗舌气动噪声D-最优声学模型的研究 . 振动、测试与诊断,1985,15(4) .
[2]智乃刚,萧滨诗.风机噪声控制技术.机械工业出版社 ,1985.
[3]孙宇平.蜗舌间隙及蜗舌倾角对离心风机旋转噪声影响的实验研究.沈阳工业大学学报,1994,16(4) [4]程序,朱斌生,张建润等.离心风机蜗舌共振器优化方法的改进.东南大学学报,1996,26(5).
[5]张建润,程序.离心风机宽频蜗舌消声器的声学模型及应用,东南大学学报,1996,26(2) .
[6]顾建明等.阶梯蜗舌降噪蜗壳.发明专利,专利号:00115736.1.
[7]李庆宜.通风机.机械工业出版社,1981.