电冰箱冷藏风机不同掺混形式对叶片降噪的影响研究.pdf
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1、Articles论文22 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422电冰箱冷藏风机不同掺混形式对叶片降噪的影响研究Research on the infl uence of diff erent mixing forms of refrigerator fan on blade noise reduction章珈彬1,2 江 俊1 李语亭1 陈千一2 王利亚1ZHANG Jiabin1,2 JIANG Jun1 LI Yuting1 CHEN Qianyi2 WANG Liya11.合肥华凌股份有限公司 安徽合肥 230601;2.美的集团(上海)有限公司 上海 2000001.Hef
2、ei Hualing Co.,Ltd.Hefei 230601;2.Midea Group(Shanghai)Co.,Ltd.Shanghai 200000摘 要:随着冰箱向超静音方向发展,对冰箱气动噪声的控制有了更高的要求。以家用电冰箱冷藏风机为对象,设计了不同掺混形式的尾缘结构,利用声比拟FW-H计算方法和试验研究其降噪机理。结果表明:加速通道和仿生结构两种掺混形式均可改善叶片尾缘处压力梯度和叶片、叶尖涡量,从而降低风机叶片噪声;对于7个叶片、直径为41.8 mm的原型风机,在保证性能的前提下,当转速恒定在1980 r/min时,加速通道叶片降噪量最大可达1.7 dB(A),且降噪效果优于
3、仿生叶片;当提取叶片表面压力最大值作为声源时会导致声传播计算结果不准确,这是因为提取声源的位置和降噪设计相悖,考虑到声比拟计算方法本身局限性,修正声源面提取方法,进行试验验证并获得了较好的结果。关键词:叶片;气动噪声;声比拟;FW-H;声传播Abstract:With the development of refrigerator noise to ultra quiet level,higher requirements are put forward for pneumatic noise control.Taking the refrigerator fan of household r
4、efrigerator as the research object,the tail edge structures of diff erent mixing forms are designed,and the noise reduction mechanism is studied by using acoustic analogy FW-H calculation method and experiments.The results show that both the acceleration channel and the bionic structure can improve
5、the pressure gradient at the trailing edge of the blade and the vorticity of the blade and blade tip,so as to reduce the noise of the fan blade.For the prototype fan with 7 blades and a diameter of 41.8 mm,on the premise of ensuring performance,when the speed is constant at 1980 r/min,the maximum no
6、ise reduction of the acceleration channel blades can reach 1.7 dB(A),and the noise reduction eff ect is better than that of bionic blades.When the maximum pressure on the blade surface is extracted as the sound source,the calculation result of sound propagation will be inaccurate.This is because the
7、 location of the extracted sound source is contrary to the noise reduction design.Considering the limitations of the sound analogy calculation method,modifi es the sound source surface extraction method,and carries out experimental verifi cation to obtain better results.Keywords:Blade;Aerodynamic no
8、ise;Acoustic analogy;FW-H;Sound propagation中图分类号:TB533+.1 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0020 引言风冷冰箱作为最常见的家用电器之一,在人们的日常生活中必不可少。为确保冰箱冷冻室蒸发器冷气可以持续输送至冷藏室并形成良好的循环1,需要冷藏室的轴流风机具有良好的气动效应,同时又要保证其噪声很低,保证用户良好的体验。近年来,随着制造业向全面绿色低碳发展和节能方向转型,对冰箱噪声标称值提出更高要求,目前市场很多产品已达到标称值为作者简介:章珈彬(1989),男,工程师。研究方向:噪声与振动控制、气
9、动噪声。地址:安徽省合肥经济技术开发区锦绣大道176号合肥美的电冰箱有限公司。Email:。35 dB(A)的超静音级水平。如何攻克占据冰箱噪声投诉85%的气动噪声问题是巩固产品力和市场的关键。关于轴流风机运行产生的气动噪声主要包括离散噪声和宽频噪声两类2-4:基频噪声主要和脉动压力有关,当风机叶片切割空气时,气流从叶片前缘流经叶片表面后,其尾迹气流周期性地拍打下游物体形成压力脉动,这种压力脉动具有明显的基频和谐波特征;此外,叶片旋转还会导致周围气体内部形成紊流,气体和气体之间形成相互Articles论文 23家电科技 Vol.3 2023 Issue 422作用产生噪声,这种噪声分布频带范围
10、较广,即宽频噪声。也有学者将这种空气动力产生的噪声分解为剪切噪声(气流剪切速度和湍流速度分量作用产生)和自发噪声两种(紊流项相互作用产生),其原理和宽频噪声类似。目前,针对轴流风机降噪设计及配置发展了不同的技术方法,特别是对于已经投入生产的风机进行降噪设计时,传统方法需要对包括安装角、叶型、端面曲率等在内的结构进行重新设计5-7,这种方式开模成本较高。国内学者汪洋8对冰箱风扇各个结构参数进行了正交设计,最优参数组合的叶片噪声较原始叶片下降了5%;牟振宁9提出将冰箱冷藏轴流风机的叶片设置成非等间距,使每个扇叶与空气摩擦产生的振动频率不同来降低噪声。另一方面,也可以改变局部结构进行小幅修改模具来降
11、低噪声,例如仿生叶片、锯齿叶片等,这种将尾缘大涡破碎成马蹄涡,进行尾迹掺混的方式被认为是一种较为经济的降噪手段10,其降噪原理是通过改变尾缘气流冲击叶片表面形成脉动压力的强弱、削弱尾缘旋涡来降低噪声11。王雷12等人研究了仿鸮翼叶片对冰箱冷风循环风机的降噪效果,研究表明:仿鸮翼叶片特殊的厚度分布可以降低叶片表面的非定常压力,从而减小中低频噪声12。当马赫数较低时,叶片噪声主要和叶片表面压力脉动有关13-14,当转速较低时,如何关联尾缘旋涡和压力脉动的联系、对比不同的掺混形式的降噪效果对叶片噪声控制尤为重要。本文采用LES方法,求解某冷藏风道轴流风机的非定场流场,并利用声比拟FW-H计算方法预测
12、不同掺混形式的尾缘旋涡特征,及其对叶片间隙动静干涉的气流影响;分析了原型风机表面降噪前后声源大小对声传播接收点的频谱分布曲线的作用机制,为低成本风机降噪提供了依据。1 数值计算理论和模型1.1 模型基本理论Flowcs-Williams和Hawkings利用计算流体力学N-S方程和广义函数理论推导了FW-H声学基本方程15,可计算旋翼壁面做任意运动,其基本形式是:(1)其中,p(xi,t)代表测点声压大小,c0、0为声速和密度,(f)是狄拉克(Dirac)函数,H(f)是海维赛德(Heaviside)广义函数:(2)f(xi,t)=0代表关于风机表面运动边界的控制面方程,是一个空间位置和时间的
13、隐函数。由式(1)可知,当运动壁面为固壁面时,声源由三部分组成,其中0Vi、pijnj和Tij分别代表单极子、偶极子和四极子噪声,Vi表示物体运动速度在法向的投影。1.2 风机气动噪声CFD模型建立1.2.1 网格划分和初始条件设置风机由7个叶片组成,叶片直径41.8 mm,轮毂直径为37 mm,高度为16.8 m。将模型导入到流场仿真软件中进行前处理,并根据叶片厚度和直径建立一个Interface面,用于传递旋转域和静域的数据。静域为0.4 m0.4 m0.8 m的立方体。网格采用多面体网格,对于叶片叶尖、叶厚及尾缘细小特征进行加密,网格总数为726万。入口条件设定为停滞进口,出口条件设定为
14、Pa=0的压力出口,风机转速为1980 r/min。1.2.2 定常计算模型定常计算选择RANS SST K-Omega模型,流体类型选择理想气体,选择MRF旋转参考坐标系设定风机旋转速率。监测风机出风方向1 m处压力值,直至恒定,计算步长为2000步。1.2.3 非定常计算模型当风机旋转23圈稳定以后,选择LES大涡模拟进行非定常计算,同时勾选FW-H声学模型,提取叶片表面最大压力值作为时域信号,进行傅里叶变换计算1 m处声压级大小。利用RBM滑移网格来控制风机的旋转。根据对流库朗数平均值大于1的要求,进行非定常计算时,设置采样时间步长为2.5e-5 s,内部迭代次数为5次;最大采样频率为2
15、0 kHz。为了让非定常的流场特征充分发展,采样时间t要大于流动变化特征的5倍以上,采样时间根据斯特罗哈尔数St(Strouhal Number)确定,其定义为:(3)式中:f为声音频率;d代表特征长度,为结构特征在流体流动方向上的投影宽度;U为流体流速。当雷诺数为300104时,斯特罗哈尔数取值范围为0.20.22,一般取为0.2。流体最大速度为10.4 m/s,特征长度为16 mm,代入定义式可知流场主要的最小特征频率约为130 Hz,特征周期为0.07 s,采样时间t设置为0.1 s可满足条件。1.3 不同掺混形式的降噪叶片为了最小程度地影响风量和静压效率,在不改变图1 a)原型叶片安装
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