轴流式通风机气动噪声分布特性的数值研究

【摘要】：通风机的气动噪声预估是当前流体机械研究领域最热门也是难度较大的课题之一。本文以一台矿用两级轴流式局部通风机为研究对象,用有限体积法对风机内部的非定常湍流场进行了数值模拟,在此基础上采用计算流体动力学(CFD)方法,对轴流式通风机的气动噪声进行了数值预测；并用有限元(FEM)法对风机外壳的振动模态进行了分析计算。本文的主要研究内容如下： 首先,针对一台矿用两级轴流式通风机,推导描述风机内部流场三维非定常湍流流动的控制方程组,建立通风机从集流器进口到扩散器出口整机全流场三维几何模型,设定恰当的动静交界面类型,使数值计算能够全面、真实地反映叶轮与各相邻静止部件之间的相互影响。 其次,将通风机的全流场作为数值计算的求解域,分区生成计算网格,选择适当的湍流模型,给定合理的边界条件,完成通风机在特定运行工况下的定常流动计算,再以定常流动的计算结果为初场进行非定常湍流流动的计算,获得流场的非定常流动结构和压力随时间的变化规律。 然后,根据定常流动的计算结果,引入由Proudma提出的改进宽频声源模型,预测了风机各部分气动噪声声功率的分布规律；根据非定常计算得到的流场压力随时间的变化数据,采用FFT变换方法,得到了前后两级叶轮与导叶轮监测面上监测点压力脉动的时域和频域分布规律；在大涡模拟LES基础上,引入FW-H(Ffowcs-Williams Hawkings)声学模型,获得通风机气动噪声的分布特性。从流场计算结果中提取外壳径向压力为载荷加载到有限元分析(FEA)软件中作为外壳动力响应分析的已知条件,并对外壳进行模态分析。 最后,通过本文的研究得到以下结论：叶轮流域存在较大的流动损失,是风机气动噪声源的主要产生部位。总体上,叶顶间隙处的气动噪声声压级较大,叶轮出口处声压级大于叶轮进口处声压级,并且后级叶轮声压级大于前级叶轮声压级。通过对风机壳体模态分析得知,气流非定常脉动力对壳体的振动模态影响较小。