上下并聯軸流風機室外機氣動聲學預測模型(1)

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本文基于CFD模擬方法，分析了空調器室外機上下并聯軸流石家莊風機系統噪聲源分布，建立了室外機氣動聲學預測方法。研究發現，上下并聯軸流石家莊市風機廠系統由寬頻和離散頻率噪聲組成，寬頻噪聲是影響室外機噪聲總聲壓級的重要因素。渦聲分析表明，渦脫落噪聲是寬頻噪聲的主要影響因素。基于CFD的葉片尾緣渦脫落噪聲預測方法計算得到寬頻聲壓誤差為2 dB，考慮離散頻率影響時，室外機A計權總聲壓級預測誤差小于2 dBA。基于CFD的點源時域預測模型，捕捉到了上下并聯軸流石家莊市風機廠系統的離散頻率噪聲峰值，且在上下葉輪前二階諧波處預測值與實驗值吻合較好。與傳統的單轉子軸流石家莊市風機廠室外機相比，上下并聯軸流石家莊市風機廠輻射噪聲總聲壓級更大，對其氣動噪聲的研究越來越引起人們的重視。目前大量的研究應用于室外機單轉子軸流石家莊市風機廠的流動和聲學預測中，SATO等1|、JANG等采用LDV詳細測量了葉片頂部與導風罩間復雜流場，為石家莊市風機廠葉片及導風罩優化設計提供了依據。文獻[3]中采用PIV測量了室外機內部流動，基于CFD模擬方法，分析了室外機單轉子軸流石家莊市風機廠的氣動噪聲預測方法。對室外機上下并聯軸流石家莊市風機廠系統，文獻[4]采用PIV和CFD模擬方法分析了室外機氣動和聲學特征，上下葉輪間流場干涉對總聲壓級和噪聲頻譜特性均無明顯的影響。本文以商用3．7 kw分體式空調器室外機為研究對象，在文獻『41基礎上，采用基于CFD模擬的渦聲理論分析室外機氣動噪聲源分布，并由渦脫落噪聲模型得到室外機總聲壓級。同時，采用基于CFD數值模擬的點源時域噪聲模型預測空調器室外機離散頻率噪聲。
1研究對象及研究方法
1．1研究對象本文研究的上下并聯雙轉子室外機系統由壓縮機室、換熱器、電動機及其支架、導風罩和上下并聯軸流石家莊市風機廠等組成，如圖1所示。軸流石家莊市風機葉片為大弦長、小展弦比的前掠葉片，葉片數3，葉輪外徑470 mm，輪轂比0．340，室外機內兩個軸流石家莊市風機廠呈上下并聯布置。實驗過程中室外機壓縮機關閉，出口格柵未安裝。測試工況為室外機最高擋運行工況(HH工況)，上下葉輪轉速分別為752 r／min、838 r／min，流量系數分別為o．251、o．248。1．2數值分析方法室外機內部流動CFD數值計算基于商用FLU—ENT軟件，包括定常和非定常，均為求解不可壓縮雷諾平均Navier—Stokes方程。定常計算中對流項采用二階中心差分格式，擴散項采用二階迎風格式，壓力一速度的耦合采用SIMPLE方法。湍流模型采用標準k一￡模型，近壁面采用標準壁面函數。非定常計算采用大渦模擬(Large eddy simulation，LES)，其中小尺度渦的模擬采用基于Prandle混合長度理論的亞格子Smagorinsky模型。非定常計算的壓力一速度耦合采用PISO方法。計算采用多重旋轉坐標系，風扇與室外機內部靜止部件之間的動靜交接面置于風扇葉尖間隙的中間位置。對于定常計算，采用多參考坐標系(Multiple reference frame，MRF)模型處理動靜交接面；對于非定常計算，采用滑移網格技術求解動靜干涉非定常效應。CFD計算中室外機上游遠場進口給定流量邊界條件，下游遠場給定壓力邊界條件。定常CFD計算的收斂準則為計算殘差￡<10～。在定常計算收斂的基礎上進行非定常計算。非定常計算時間步長為10～S，計算參數呈現周期性變化后即認為收斂，取葉輪旋轉10圈后的準周期結果進行分析。CFD數值計算精度在文獻f41中通過PIV實驗測量驗證，在本文的研究中，直接應用CFD模擬結果進行進一步渦聲分析以及氣動聲學預測。
2研究結果分析
2．1室外機噪聲源分析典型的空調器室外機噪聲頻譜如圖2所示，室外機輻射氣動噪聲由離散頻率噪聲和寬頻渦流噪聲組成，寬頻噪聲頻率范圍在20 Hz一10 kHz，離散頻率噪聲主要表現在300 Hz以下的低頻部分，對應峰值頻率分別為38．68 Hz、77．18 Hz、97．16 Hz、129．57Hz、153．99 Hz、193．87 Hz。由室外機噪聲頻譜計算得到寬頻和離散頻率噪聲總聲壓級分別為52．23、47．55dBA，相對室外機總聲壓級53．5 dBA，離散頻率噪聲的影響約為1．23 dBA。因此，室外機噪聲總聲壓級主要來自于寬頻噪聲分量。