轴流风机非稳态气动声学建模及分析

轴流风机作为应用广泛的流体机械，其声学性能逐渐受到人们重视。本文以某轴流风机为研究对象，结合计算流体力学和计算气动声学理论对轴流风机的声场进行数值模拟，利用雷诺时均(RANS)模型进行稳态流场模拟，通过在风机进口、出口和叶片表面上布置监测点，研究了风机在近场流域内的声源分布特性及声场变化趋势；利用大涡模拟(LES)非稳态流场和Ffowcs Williams-Hawkings声类比模型结合的方法，通过在风机流场外设置声接收器，对流域外的声场进行积分预测，同时，本文进行了相关实验，验证了数值仿真的准确性。研究发现，轴流风机的主要噪声来自偶极子源，主要原因是由于压力梯度的变化；近场中，风机的噪声在靠近叶片的地方出现相对较大的声压，噪音通过远距离的传播，声压在全频段上整体减小，但衰减趋势不变。

轴流风机以流量大、耗电少的优势广泛应用于工业各领域中。但对有些工作环境恶劣的轴流风机， 其内部易产生非稳态流动，从而引起振动、噪声等不良影响。随着计算流体力学(CFD)和计算气动声学(CAA)的不断发展，人们越来越多地着眼于轴流风机气动噪声的计算与优化。

目前，风机的噪声研究主要有实验测量和数值模拟的方法，在实验方面，Behdad Davoudi [1]采用阵列测量的方法测出了轴流风机的10 个不同位置的声学特性。

杨野[2]等人搭建了风机噪声测量实验台， 测得了轴流风机不同方位的远场噪声分布特性，并指出风机的进口噪声显著大于出口噪声。在数值模拟方面，2011 年刘洪秋[3]等人对轴流风机旋转域内的非定常流动进行了数值计算，得到了风机的气动噪声源分布；李春曦[4]等人为研究叶片安装角对风机气动噪声的影响，对某型号轴流风机的噪声进行了三维数值模拟研究，得到了风机的声源分布和噪声特性。

本文结合数值分析和试验测试对某轴流风机进行噪声分析：通过由稳态向非稳态过渡的分析方法获取更可靠、有效的风机噪声分析结果并通过实验进行验证；另外，通过对近场和远场噪声的分析得出风机噪声源分布及传播特性，可为后续降噪设计奠定数值基础。

2. 模型建立 2.1. 风机模型 风机的基本几何参数如下：叶片数为4，半径为0.45 m，位于半径为0.5 m 的圆柱中心；物理运动参数如下：转速为954 rpm，空气速度为3.4 m/s，温度为300 K。将整个系统分成三部分：进口区域、叶片旋转区域、出口区域， 利用STAR-CCM + 专业流体分析软件对区域进行自动网格划分， 为了提高计算效率，对于结构较简单的进、出口流域采用切割体网格并使用较大的网格尺寸进行有限元网格划分；对于旋转区域，由于叶片结构复杂需进行细致的网格划分：采用多面体网格进行体网格生成，并附加棱柱层