高宁静需求工业产品的风机噪声设计创新与优化技术

发布时间:2018-5-8 13:42:00

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 本项目旨在创新一种应用于高静音性能要求的工业产品(如装有高速离心风机的家用空气净化器)的风机降噪设计优化技术。鉴于客户往往仅是满足于紧凑型、高流量和低噪声等互相矛盾的性能要求,所以对该类产品的有效降噪设计技术很是必要。传统的设计方法在处理较高的产品噪声等级(60-70 dB)时,效果表现良好,但对于较低的噪声等级(50 dB 或更低)的高静音性能要求的产品而言,传统方法却力不从心。因为对于后者,想要实现有效的降噪设计,必须要深入了解风机噪声产生的气动声学物理原理。为此,项目组开发出一种新型的以物理原理为基础的计算器仿真技术。该新型降噪设计技术,以空气净化器的离心风机为发展平台,运用不可压缩的大涡模拟(Large-Eddy Simulation)方法,进行空气动力学的仿真,计算风机扇叶的湍流效应,结果证实了风机蜗舌附近存有高流量且不稳定的流场,导致旋转风机叶片的偏斜尾迹被切断,风机噪声由此产生。此外,项目组通过对Ffowcs Williams Hawkings 方程的求解,以建立在所有叶片空气动力输入为基础的自由空间格林函数为假设,实现了风机远场的噪声辐射仿真分析。该项目同时开发出一种基于边界元法(BEM)的创新方法,将流壁压力转换为等效声边界值问题的相应边界条件,用于解决风机壳体的散射效应问题。通过对声压级(SPL)谱、噪声指向性等关键噪声性能参数进行比较,新型风机得出的仿真与实验结果在低频时高度吻合,克服了传统设计方法的不足。叶片转动频率的噪声等级差值稳定地控制在2dB以内,初始三阶谐波都被准确捕获。同时,这种新的仿真技术结合响应面优化法(Response Surface Methodology),开发出二次响应面模型,用于筛选叶片进出口角度的最优组合。在以上所有这些研究的基础上,一种新型的风机设计方案应运而生,其效果在实验中得以肯定:噪音降低至40dB水平,体积流量增加了20%。这也同时证明了当前提出的以物理原理为基础的方法论的正确性,在风机性能要求范围内,任何几何配置都可以被允许用以设计和优化风机的噪声。这是整个工业界尤其高端家电行业多年以来梦寐以求的风机降噪设计优化的根本方法论。