當(dāng)今，噪聲污染問題日益為人們所關(guān)注。軸流風(fēng)機(jī)的噪聲中機(jī)械噪聲、電磁噪聲在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下影響較小，氣動噪聲是最主要部分且最難治理。通過噪聲頻譜分析可以知道，其噪聲主要分為寬帶噪聲（也稱渦流噪聲）和離散噪聲（也稱旋轉(zhuǎn)噪聲）。頻譜中的寬帶分量主要由于有隨機(jī)特性的脈動力所引起，如紊流邊界層、葉片尾部的漩渦脫落、葉尖渦流和來流紊流等。頻譜中的離散分量主要由動葉周期性地擾動空氣及其與靜葉交互作用所引起。
在風(fēng)機(jī)的設(shè)計過程中，主要的技術(shù)指標(biāo)為風(fēng)機(jī)的全壓及流量，現(xiàn)在人們越來越關(guān)注其噪聲指標(biāo)，但是，如何快速有效地在設(shè)計階段就能比較準(zhǔn)確地預(yù)估噪聲，從而更好地為降噪服務(wù)，是人們多年來一直致力解決的。
目前的研究主要集中在氣動噪聲上，也有從葉輪模態(tài)方向著手的。隨著計算流體力學(xué)( CFD)和計算氣動聲學(xué)( CAA)的發(fā)展，對風(fēng)機(jī)噪聲的數(shù)值預(yù)估也有了較大進(jìn)步。
1、噪聲數(shù)值預(yù)估現(xiàn)狀
現(xiàn)在對軸流風(fēng)機(jī)噪聲的預(yù)估有很多方法，但主要以經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)性的居多，初期的研究主要是實(shí)驗(yàn)研究，對噪聲源、噪聲特性和影響噪聲的主要因素進(jìn)行了深入研究，并導(dǎo)出了在一定條件下實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)公式；后來在上世紀(jì)70年代至90年代，出現(xiàn)了一些簡化理論模型，使噪聲預(yù)估工作上了一個新臺階；隨著計算流體力學(xué)逐步發(fā)展，對流場特性進(jìn)一步了解，計算氣動聲學(xué)也逐步發(fā)展起來，但是，由于CAA方法需要流場的詳細(xì)紊流數(shù)據(jù)，而在現(xiàn)有的計算機(jī)條件下這是簡直不太可能，計算量太巨大，折中方法是只考慮大渦的影響（LES模擬），細(xì)小的渦僅僅按某一應(yīng)力模型考慮，但由于噪聲能量在整個風(fēng)機(jī)能量中只占很小一部分，CFD計算的較小誤差容易引起噪聲計算較大的誤差，CAA正處于不斷發(fā)展階段。
(1)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />
經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃芏�，下面介紹從文獻(xiàn)2中得出的公式，從眾多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中歸納得出，軸流風(fēng)機(jī)噪聲輻射聲功率為：
式中：x為測點(diǎn)到聲源的距離。
該模型的誤差一般偏大。
(2) Lowson模型
給出了軸流風(fēng)機(jī)離散噪聲理論，它假定每個葉片上有一個向自由聲場輻射的點(diǎn)力，來研究動葉與上下游靜葉之間相互作用產(chǎn)生的脈動力所引起的噪聲輻射，提出了聲輻射的總聲功率和指向性曲線，主要設(shè)計參數(shù)都可以引入到該模型中，一旦作用于靜子和轉(zhuǎn)子列上脈動力確定了，就可得出任意位置噪聲值。可是，由于軸向壓力梯度、徑向壓力梯度、變換的渦流角及可壓縮性的影響，通過孤立翼形尾跡數(shù)據(jù)對脈動力的計算有較大差別。
(3) Lee尾跡脫落模型
設(shè)定葉片尾跡模式為經(jīng)典的卡門渦街，上下兩排漩渦的中心位置在0.6倍附面層厚度處，中心線距離為相鄰?fù)慌配鰷u之間距離的0. 281倍，并采用薄翼型理論得出了由尾渦產(chǎn)生的表面壓力波動和升力，其尾跡模式?jīng)Q定了噪聲強(qiáng)度及頻譜模式。該模型在確定葉片尾緣邊界層參數(shù)時采用了平板模型近似。
(4) Fukano尾跡脫落模型
提出了一種簡單的物理模型來解釋從軸流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉片后沿脫落渦的紊流噪聲。其主要參數(shù)為尾跡寬度，與轉(zhuǎn)子葉片尾緣附面層位移厚度密切相關(guān)，是控制紊流噪聲的主要參數(shù)。可用于估算聲壓級和頻譜，但其頻譜估算比較粗糙。
(5)計算氣動聲學(xué)(CAA)方法
CAA技術(shù)是在CFD基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，從CFD數(shù)據(jù)出發(fā)，對風(fēng)機(jī)流場進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)LES大渦模擬，得出流場壓力、密度、速度變化，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉變換，得出聲學(xué)數(shù)據(jù)。或者直接對N-S方程和聲學(xué)方程進(jìn)行求解，這是CAA的發(fā)展方向。但是，由于所要求的計算機(jī)資源現(xiàn)階段難以滿足，太昂貴費(fèi)時，所以正處于發(fā)展階段。
2、CFD在噪聲預(yù)估中的運(yùn)用
由以上分析可以看出，包括Lee及Fukano的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿狈Φ木褪侨~片尾跡流場數(shù)據(jù)，均采用了不同形式的平板估算，而CFD恰好能滿足這方面的要求，兩者的結(jié)合應(yīng)能提高估算精度。現(xiàn)以Fukano模型為例。
在Fukano提出的模型中，風(fēng)機(jī)發(fā)出的總聲功率
在該模型中特征長度D是最重要的參數(shù)，定義為轉(zhuǎn)子葉片尾緣厚度、吸力面及壓力面附面層位移厚度之和。但是由于葉片旋轉(zhuǎn)的影響，無法給出準(zhǔn)確的附面層位移厚度。Fukano給出了一個按零壓力梯度條件下由平板理論給出的紊流附面層位移厚度公式：
D=Dt+(0.37 C/4) Rec
-0.2 (3)
式中：Dt為轉(zhuǎn)子葉片尾緣厚度。
現(xiàn)在由于計算流體力學(xué)的發(fā)展，對風(fēng)機(jī)流場進(jìn)行三維數(shù)值模擬已顯得比較成熟和方便，尤其在工程上也易于推廣和普及。雖然在CFD中，直接求解N-S方程還是太費(fèi)時而不易實(shí)現(xiàn)，但通過引進(jìn)一些紊流模型，求解結(jié)果還是比較令人滿意的。
為了解決式(3)無法準(zhǔn)確計算附面層位移厚度的問題，可以采用CFD方法進(jìn)行計算，由于不需要對湍流進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，不需要采用耗費(fèi)較多機(jī)時的LES大渦模擬方法，采用通常的k-e模型，較易快速得出結(jié)果，有利于工程實(shí)現(xiàn)。
在CFD中，從三維流場壓力數(shù)據(jù)可以根據(jù)定義計算附面層壓力厚度。這樣結(jié)合Fukano模型和CFD方法，可以方便地對風(fēng)機(jī)噪聲進(jìn)行預(yù)估。
3、噪聲預(yù)估值與實(shí)驗(yàn)值對比
本文中利用兩個差別較大的軸流風(fēng)機(jī)，表1為樣機(jī)主要參數(shù)，圖1為樣機(jī)A的三維轉(zhuǎn)子模型，圖2為樣機(jī)A的流場相對速度等值線（在半葉片高回轉(zhuǎn)面上）。
表2為噪聲預(yù)估值與實(shí)驗(yàn)值的對比，可以看出，噪聲值與預(yù)估值相差約在2.6dBA以內(nèi)，工程估算時此精度一般是可以接受的。
噪聲預(yù)估的精度，取決于多個方面，首先噪聲模型是半經(jīng)驗(yàn)的，其對低壓風(fēng)機(jī)的模擬要準(zhǔn)確一些；其次，網(wǎng)格密度及是否考慮前后導(dǎo)葉，也很大影響數(shù)值模擬的精度。
4、結(jié)論
采用CFD提供的附面層位移厚度和半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行軸流風(fēng)機(jī)的噪聲預(yù)估，既擺脫了原模型對附面層平板估算的依賴，又較好地滿足工程設(shè)計中對噪音指標(biāo)的需要，更避免了計算氣動聲學(xué)方法的大計算量和程序復(fù)雜的難點(diǎn)，是工程上在噪聲預(yù)估準(zhǔn)確度和難度之間的較好平衡。
三門峽富通新能源銷售風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、離心風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)設(shè)備。
