离心风机分析和降噪分析

离心风机分析和降噪分析

陈荣华

珠海格力电器股份有限公司 　 广东珠海 　 519070

摘　要：离心机具有多种特点，如低噪声、流量系数大以及尺寸小等，因此广泛应用于生活当中。伴随现代化水平的提高，人们对空调的使用要求更高，而对于离心风机的分析成为人们所面临的难题，研发出低噪声的空调器是开发人员重点关注对象，本文针对离心风机以及其降噪性能展开研究。

关键词：离心风机；降噪分析；优化设计

一、离心风机工作原理

离心风机叶轮的作用是把风机机械能转换为气体动能，而机壳则是将气体动能转换为压力势能，动能与势能之间相互转换的理论基础就是伯努利方程，其表达式如下：

公式中，P 、 、v 分别为流场的压力、密度和速度，P 代表流场的压力势能， 代表流场的动能， gh代表流场的重力势能。从上式中可以看出伯努利方程的实质就是流体机械能守恒，即在忽略流体粘度时，流体的压力势能、动能和重力势能三者平衡。当流体位置不变，其重力势能将保持常量，在这种情况下，流体的动能越小，压力势能就越大。离心风机就是应用这一原理来增加出风口处的压力。

在离心风机工作时，叶轮的高速旋转带动周围气体一起运动，风机内部气体速度增加而压力下降，风机入口出现负压。在压力差的作用下，气体由外界流进叶轮，经叶轮做功后获得动能。当气体从叶片尾缘流进蜗壳时，由于蜗壳曲线是阿基米德螺旋线，随着蜗壳曲线的不断延伸，其截面积逐渐增大，气体速度就会逐渐降低，根据伯努利方程，动能的下降会引起气体压力的升高，这样在离心风机机壳中气体就完成了由动能向压力势能的转换，随后气体从风机出口流出。

二、气动噪声机理

当气体流经固体表面时，受到气体的粘性作用，在近壁面处会形成一层极薄的粘性区域，称为边界层。随着流动的发展，边界层内部的流动状态由层流转捩为湍流，并且在固体壁面下游某处发生边界层分离，形成尾迹涡。在尾迹涡中，每当有旋涡脱落时，都会引起周围的压强跳变，在压力跳变与壁面相互作用的过程中会形成脉动压力，当脉动压力的强度达到一定程度时，就可以向周围辐射噪声，这种由于旋涡脱落而形成的噪声就被称之为湍流噪声。旋转噪声通常存在于旋转机械中，如螺旋桨、搅拌器、风扇等，是由于旋转壁面周期性的打击空气而形成的。

在离心风机内部存在不同形式的气动噪声，例如在风机入口、叶片尾缘和叶片表面通常都会存在由于涡旋运动而形成的湍流噪声。随着叶片与周围气体的周期性作用，在叶片表面就会产生旋转噪声。尽管湍流噪声与旋转噪声的产生都与脉动压力有关，但是由于其频谱图的表现形式不同，两者之间有很大的区别。

在空调上出现的旋转噪声是与旋转叶片的通过频率相关的离散噪声，可分为叶片在旋转过程中叶片厚度对风轮上流体的周期性涨缩作用而形成的单极子声源，和叶片上的载荷周期性作用于风轮上的流体而形成的偶极子声源两种，其噪声的大小分别取决于叶片几何尺度、运动状态和叶片上的载荷。

三、吸声措施

吸声隔音降噪是指采用吸声材料和隔声材料来吸收隔绝噪声以达到降低噪声强度的方法。与从削弱声源强度出发的主动降噪方法不同，吸声隔音降噪方法是在声音传播的过程中来减小噪声，属于被动消声。

根据吸声原理不同，吸声材料可以分为多孔吸声材料和共振吸声材料两类。

多孔材料顾名思义其内部结构由大量的微小孔隙构成，孔隙与孔隙之间相互连通，材料内部可以通过孔隙直接与表面相连。当材料表面接收到声波时，由于声波的特性，会有一部分直接被反射，而另一部分则透过材料表面，入射到吸声材料内部。从惠更斯的波动原理可知，任意时刻的声波都可以被认为是下一时刻的声源，因此不论声波在哪一点的波动，下一时刻都会引起周围质点的振动。根据这一原理，入射到多孔材料内部的声波会带动孔隙中的空气一起振动，运动中的气体受到空气与孔隙壁面之间粘性力作用，与孔壁相互摩擦，气体声能转换为内能，消散在周围的环境中。与此同时，孔隙中的气体与吸声材料之间由于温差的作用产生热交换，在此过程中产生的热损失会再次削弱声能。随着频率的增加，空气的振动速度逐渐加快，空气声能到内能的转换过程就会加快，因此多孔吸声材料对于高频噪声具有很好的降噪效果，而对于低频噪声，其吸声效果则较差^[1]。

共振吸声材料的吸声原理与亥姆霍兹吸声共振器的工作原理相似，可以认为是由多个共振器并联组成，最简单的亥姆霍兹吸声共振器如上图所示。当亥姆霍兹吸声共振器的入口接收到声波时，声波的振动会带动容器内部空气一起振动，当入射声波的频率与整个容器内部气体的固有频率相同时，容器内部气体的振动就会变的剧烈，空气与容器壁面发生摩擦，声能转变为热能。

亥姆霍兹吸声共振器的共振频率如下：

式中，S为入口管面积，l为入口管长度，V0为容器体积，c0为声波速度。根据共振吸声材料的工作原理，我们知道噪声频率距离固有频率越远，吸声效果就越差。

从上式可以看出，共振器的固有频率很难超过2000Hz，因此共振吸声材料更适合于低频降噪，并且由于其固有频率的限制，使得共振吸声材料只能在小范围内吸声，不适合频率分布较宽的情况。

离心风机的气动噪声主要是由于湍流噪声源造成的中、低频噪声。由于湍流噪声在频域内分布很广，因此相对于共振吸声材料，多孔吸声材料更适合离心风机。

纤维吸声材料由有机纤维吸声材料和无机纤维吸声材料组成。有机纤维吸声材料包括木质纤维、毛毡、麻纤维、甘蔗纤维板等，无机纤维吸声材料包括玻璃棉、岩棉、硅酸铝纤维棉等。纤维吸声材料在高频段范围内具有优良的吸声效果，但是在应用性上较差，例如有机纤维材料易燃、易潮、易腐蚀，无机纤维材料易断，受潮后性能不佳等。

与吸声材料利用吸声结构减少声音的反射不同，隔音材料是通过增加声阻抗来减少透过材料表面的声波，以达到气动降噪的目的。与评价吸声性能的吸声系数相似，隔音材料通过透射系数来判定材料的隔声性能。

结束语

离心机广泛应用于空调当中，伴随我国环境污染问题越来越重，应高度重视可再生能源的应用，通过对离心风机性能进行优化以及就行降噪研究，能进一步发挥节能减排的作用。

参考文献：

[1]余锐生, 林娟, 姜灿华. 风机盘管离心风机的CFD降噪分析与优化[J]. 噪声与振动控制, 2018, 38(6):3.