風機噪聲分析

    風機作為一種輸送空氣的葉輪機械，被廣泛的應用于航空、煤炭、電力、冶金、電子、汽車、空調等工業生產和日常生活領域。各類風機在運轉過程中都會發出噪聲，從而影響周圍的環境。噪聲污染與空氣污染、水污染不同，它造成人的煩惱不安是暫時的，就是特別強的噪聲（90dB以上）也是需要連續長期暴露才會使聽力受損，所以在以往并不被重視。隨著生活質量的逐步提高，現在人們開始越來越多的關注這個問題，特別是在空調、汽車、家用電子產品方面，對于風機的噪聲輻射指標要求越來越趨嚴格。另外，在某些場合下，風機噪聲所帶來的問題是非常嚴重的，比如礦井通風用的對旋風機，很多時候發出的噪聲之強甚至掩蓋了井下警報器發出的聲音，從而帶來嚴重的生產安全隱患；再比如電子產品的集成度在過去的十年內增加了好幾個數量級，伴隨而來的是強大的發熱量和對散熱風扇的急需，為了充分散熱，現在一臺PC電腦的主機箱里面通常會有4至5臺小型的軸流散熱風扇在同時運轉，一個中等并行機機群在工作時由冷卻風扇所發出的噪聲已經到了讓人難以忍受的地步。降低風機運行時的各類噪聲，是改善人居環境，減少噪聲污染的迫切要求。

    風機噪聲的產生有兩方面的原因，一是機械振動噪聲，二是氣流噪聲。隨著機械加工和裝配精度的提高，目前的風機產品機械振動噪聲很小，氣流噪聲成為了主要的噪聲源。盡管聲學的研究起步很早，在19世紀末已經發展成熟，Rayleigh發表的《The Theory of Sound》二卷集巨著被聲學界視為經典。但是對于氣流致聲的研究卻是上個世紀50年代由Lighthill首先開創的。自那時起，一門新的學科——氣動聲學（Theory of Aero-acoustics）被建立，包括Curle，Powell，Ffowcs，Howe等在內的一批大師，在這一領域做出了卓越的貢獻，向人們揭示了流動與聲之間的物理聯系。根據這些理論，氣動噪聲可分為三種類型：單極子噪聲、偶極子噪聲和四極子噪聲。對于風機來說，單極子噪聲也稱為葉片厚度噪聲，它是由于旋轉的葉片具有一定厚度，空氣被周期性的排開和吸入，產生聲輻射；偶極子噪聲也稱為葉片力噪聲，它是由于葉片固壁表面的壓力脈動所產生的；四極子噪聲也稱為湍流噪聲，它是由于湍流邊界層，尾跡區的湍流脈動，分離流動等等流體內部的壓力脈動產生的。如果按照噪聲的頻譜分類，則又可分為離散噪聲（Tonal Noise）和寬帶噪聲（Broadband Noise），前者通常由于葉輪周期性旋轉，轉子和定子存在周期性的動靜干涉作用，從而向外輻射噪聲，這類噪聲頻譜存在明顯的離散譜線，一般與葉片通過頻率（BPF）有很大關系；而寬帶噪聲則是由于湍流脈動引起，頻譜很寬，可以一直到104Hz量級，不存在明顯的離散譜線。

    相對風機的離散噪聲研究來說，寬帶噪聲的機理研究和噪聲預測是相當困難的，其直接原因就是人們目前對于湍流流動本身的物理機制尚不完全清楚，從而極大限制了湍流噪聲的研究進展。但是從工業應用角度來看，絕大多數風機在運轉時，流動雷諾數大都在106量級以上，均為湍流流動，湍流寬帶噪聲的存在是相當普遍的，所以對湍流噪聲的研究實際上是無法回避的。風機湍流噪聲的研究難度還有來自另外一方面的原因，不同的風機產品在運轉時的流場結構是完全不同的，而流場的結構和流動的特點，直接決定了風機噪聲的類型和強弱，所以除了需要對湍流噪聲的機理做深入研究外，要預測風機噪聲，勢必需要對風機在運轉時的流場結構本身做深入研究，但是由于這類流動邊界過于復雜，流動又是高度旋轉的，所以同樣具有相當難度。
    對于風機氣流場本身的研究已經有上百年的歷史了。在設計理論方面，20世紀初德國學者Eck在總結前人設計經驗的基礎上完成了《Fans》一書，成為風機設計的經典參考著作。Eck的思想是將風機內復雜的三維流動通過各種假設，簡化為二維甚至一維的流動，采用無粘不可壓理想流動理論，可以推導出一系列非常實用的公式。Eck的設計方法獲取了空前的成功，可以說從Eck以后，風機設計的方法本質上再沒有發生大的變化。在實驗方面，二戰期間航空翼型風洞實驗風機的葉片設計提供了大量數據，此后，隨著LDV和PIV技術的迅猛發展，人們對風機內三維粘性流場的流動細節進行過許多仔細的觀測，得到了不少重要且有益的結論，從而給風機的設計乃至噪聲的產生機制提供了很好的研究基礎。隨著計算機水平的不斷提高，在二十世紀的最后二十年，人們開始越來越多的采用數值模擬的方法研究流動問題。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）應用于葉輪機械的流場模擬，已經有二十多年的歷史了。傳統的CFD方法在求解風機的湍流流動問題時，都是采用低階的湍流模式理論。經驗表明，采用標準k-epsilon模式等低階湍流模式進行定常或準定常的計算，在預測風機湍流場氣動性能總體參數方面是非常有效的。但是在模擬局部的流動細節上，仍然缺乏足夠的精度。另外在工況比較惡劣的情況下，這些低階模式定常計算的結果會與實際情況相差很大。
    對于風機噪聲的研究，目前尚不成熟，且研究大都集中在風機離散譜噪聲的預測和風機噪聲的控制等方面。所用的基本方法，仍然是Lighthill在50年代提出的聲比擬理論。而湍流噪聲的研究則處于剛剛起步的狀態。隨著計算條件的不斷改善，現在一些學者也嘗試通過直接數值模擬（Direct Numerical Simulation，簡稱DNS）等手段研究一些簡單邊界下湍流噪聲的問題，但是即使是這樣，對于遠場噪聲的預測，仍然只能采用Lighthill的聲擬理論。另一方面，計算聲學（Computational Aero-acoustics，簡稱CAA）作為20世紀最后二十年誕生的一門新學科，正在蓬勃發展，目前可以直接求解較低雷諾數下的近場聲場。但是這些研究距離工業應用尚有很大差距。因為目前的硬件條件尚不足以模擬大雷諾數下的實際流動。而且可以預見，在未來的20年內，采用計算聲學的方法仍然無法實現風機湍流噪聲的準確預測。