风机节能改造与风机噪音控制

浅谈风机噪音
（技术联系人：宋波13853987066）
     风机作为一种输送空气的叶轮机械，被广泛的应用于航空、煤炭、电力、冶金、电子、汽车、空调等工业生产和日常生活领域。各类风机在运转过程中都会发出噪声，从而影响周围的环境。噪声污染与空气污染、水污染不同，它造成人的烦恼不安是暂时的，就是特别强的噪声（90dB以上）也是需要连续长期暴露才会使听力受损，所以在以往并不被重视。随着生活质量的逐步提高，现在人们开始越来越多的关注这个问题，特别是在空调、汽车、家用电子产品方面，对于风机的噪声辐射指标要求越来越趋严格。另外，在某些场合下，风机噪声所带来的问题是非常严重的，比如矿井通风用的对旋风机，很多时候发出的噪声之强甚至掩盖了井下警报器发出的声音，从而带来严重的生产安全隐患；再比如电子产品的集成度在过去的十年内增加了好几个数量级，伴随而来的是强大的发热量和对散热风扇的急需，为了充分散热，现在一台PC电脑的主机箱里面通常会有4至5台小型的轴流散热风扇在同时运转，一个中等并行机机群在工作时由冷却风扇所发出的噪声已经到了让人难以忍受的地步。降低风机运行时的各类噪声，是改善人居环境，减少噪声污染的迫切要求。
    风机噪声的产生有两方面的原因，一是机械振动噪声，二是气流噪声。随着机械加工和装配精度的提高，目前的风机产品机械振动噪声很小，气流噪声成为了主要的噪声源。尽管声学的研究起步很早，在19世纪末已经发展成熟，Rayleigh发表的《The Theory of Sound》二卷集巨著被声学界视为经典。但是对于气流致声的研究却是上个世纪50年代由Lighthill首先开创的。自那时起，一门新的学科——气动声学（Theory of Aero-acoustics）被建立，包括Curle，Powell，Ffowcs，Howe等在内的一批大师，在这一领域做出了卓越的贡献，向人们揭示了流动与声之间的物理联系。根据这些理论，气动噪声可分为三种类型：单极子噪声、偶极子噪声和四极子噪声。对于风机来说，单极子噪声也称为叶片厚度噪声，它是由于旋转的叶片具有一定厚度，空气被周期性的排开和吸入，产生声辐射；偶极子噪声也称为叶片力噪声，它是由于叶片固壁表面的压力脉动所产生的；四极子噪声也称为湍流噪声，它是由于湍流边界层，尾迹区的湍流脉动，分离流动等等流体内部的压力脉动产生的。如果按照噪声的频谱分类，则又可分为离散噪声（Tonal Noise）和宽带噪声（Broadband Noise），前者通常由于叶轮周期性旋转，转子和定子存在周期性的动静干涉作用，从而向外辐射噪声，这类噪声频谱存在明显的离散谱线，一般与叶片通过频率（BPF）有很大关系；而宽带噪声则是由于湍流脉动引起，频谱很宽，可以一直到104Hz量级，不存在明显的离散谱线。

    相对风机的离散噪声研究来说，宽带噪声的机理研究和噪声预测是相当困难的，其直接原因就是人们目前对于湍流流动本身的物理机制尚不完全清楚，从而极大限制了湍流噪声的研究进展。但是从工业应用角度来看，绝大多数风机在运转时，流动雷诺数大都在106量级以上，均为湍流流动，湍流宽带噪声的存在是相当普遍的，所以对湍流噪声的研究实际上是无法回避的。风机湍流噪声的研究难度还有来自另外一方面的原因，不同的风机产品在运转时的流场结构是完全不同的，而流场的结构和流动的特点，直接决定了风机噪声的类型和强弱，所以除了需要对湍流噪声的机理做深入研究外，要预测风机噪声，势必需要对风机在运转时的流场结构本身做深入研究，但是由于这类流动边界过于复杂，流动又是高度旋转的，所以同样具有相当难度。
    对于风机气流场本身的研究已经有上百年的历史了。在设计理论方面，20世纪初德国学者Eck在总结前人设计经验的基础上完成了《Fans》一书，成为风机设计的经典参考著作。Eck的思想是将风机内复杂的三维流动通过各种假设，简化为二维甚至一维的流动，采用无粘不可压理想流动理论，可以推导出一系列非常实用的公式。Eck的设计方法获取了空前的成功，可以说从Eck以后，风机设计的方法本质上再没有发生大的变化。在实验方面，二战期间航空翼型风洞实验风机的叶片设计提供了大量数据，此后，随着LDV和PIV技术的迅猛发展，人们对风机内三维粘性流场的流动细节进行过许多仔细的观测，得到了不少重要且有益的结论，从而给风机的设计乃至噪声的产生机制提供了很好的研究基础。随着计算机水平的不断提高，在二十世纪的*后二十年，人们开始越来越多的采用数值模拟的方法研究流动问题。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）应用于叶轮机械的流场模拟，已经有二十多年的历史了。传统的CFD方法在求解风机的湍流流动问题时，都是采用低阶的湍流模式理论。经验表明，采用标准k-EPSilon模式等低阶湍流模式进行定常或准定常的计算，在预测风机湍流场气动性能总体参数方面是非常有效的。但是在模拟局部的流动细节上，仍然缺乏足够的精度。另外在工况比较恶劣的情况下，这些低阶模式定常计算的结果会与实际情况相差很大。
    对于风机噪声的研究，目前尚不成熟，且研究大都集中在风机离散谱噪声的预测和风机噪声的控制等方面。所用的基本方法，仍然是Lighthill在50年代提出的声比拟理论。而湍流噪声的研究则处于刚刚起步的状态。随着计算条件的不断改善，现在一些学者也尝试通过直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，简称DNS）等手段研究一些简单边界下湍流噪声的问题，但是即使是这样，对于远场噪声的预测，仍然只能采用Lighthill的声拟理论。另一方面，计算声学（Computational Aero-acoustics，简称CAA）作为20世纪*后二十年诞生的一门新学科，正在蓬勃发展，目前可以直接求解较低雷诺数下的近场声场。但是这些研究距离工业应用尚有很大差距。因为目前的硬件条件尚不足以模拟大雷诺数下的实际流动。而且可以预见，在未来的20年内，采用计算声学的方法仍然无法实现风机湍流噪声的准确预测