进风格栅旋向对风扇噪声性能影响的数值模拟和实验研究

进风格栅旋向对风扇噪声性能影响的数值模拟和实验研究

柳洲 ,李文龙,张弛

珠海格力电器股份有限公司  珠海 519000

摘要:空气循环扇是针对用户对风扇产品需求升级的品类，核心功能以高速DC直流变频电机、大倾角螺旋扇叶，定向风速导流罩及初效净化部件构成螺旋气流推射系统，输出强劲集中的风速扰动室内空气，达到空气循环的效果，快速中和室内空气，从而达到平衡室温、通风换气、散热降躁、保持室内空气清新的目的。但因体积紧凑，风叶与后网格栅距离近，在过高的工作转速2000rpm下，整机会产生“嗡嗡”的噪声，峰值高，噪声大，用户体验差。本文针对某型号循环扇高档气动噪音大，运行时发出“嗡嗡”声的问题。使用仿真和实验相结合的方法分析得到了影响气动噪音的主要结构为进风格栅，并研究了进风格栅旋向对气动噪音的影响。采用仿真手段对风叶、格栅表面的噪声源和流域湍流度等参数进行分析，确定了逆旋格栅(相对于风叶旋向)降噪方案，并最终通过实验测试验证得到:相比于直进风格栅，逆旋进风格栅方案在保证风量基本不变的情况下，可使得噪音峰值下降约6dB，音质改善明显，对循环扇设计具有很好的指导意义。

关键字：空气循环扇；旋转噪声；格栅；湍流度；ANSYS fluent

ABSRTACT: the air circulation fan is a kind of fan product which is upgraded for the user's demand. The core functions are high-speed DC inverter motor, large-angle spiral fan blades, the directional wind speed deflector and the initial effect purifying parts form the spiral air flow pushing system, which can output the strong concentrated wind speed to disturb the indoor air, achieve the effect of air circulation, and quickly neutralize the indoor air, so as to achieve a balance of room temperature, ventilation, cooling manic, keep the indoor air clean purposes. However, due to the compact size, the blade and the grid behind the close, in the high working speed of 2000 rpm, the whole machine will produce“wengweng” noise, high peak, noise, poor user experience. This paper aims at the problem that the high-grade pneumatic noise of a certain type of circulating fan makes a“Humming” sound when it is running. The main structure which affects the aerodynamic noise is the inlet grille, and the influence of the rotation of the inlet grille on the aerodynamic noise is studied. By means of simulation, the noise sources on the surface of the blade and the grid and the turbulence intensity of the basin were analyzed, and the scheme of reducing the noise of the counter-rotating grid (relative to the rotating direction of the blade) was determined, finally, the experimental results show that: compared with the direct-wind grille, the inverse-wind grille scheme can reduce the noise peak by about 6 db, and improve the sound quality obviously, while keeping the air volume basically unchanged, it has a good guiding significance to the design of circular fan.

Keywords: air circulation fan; rotating noise; grille; turbulence degree; Ansys fluent

0 引言

空气循环扇作为现在风扇市场的新宠，通过风扇风道和进出风格栅的气动设计，具有大风量、高能效和超远距离送风等特点，可快速实现室内空气动态循环。但风量越大，进出风结构越复杂，就越容易引发气动噪声问题。因此，如何在气动噪声和风扇性能之间取舍平衡，就成为设计人员需要重点考虑的问题[1]。

轴流风叶广泛地运用于各类家用风扇、通风机和空调等产品中，轴流风叶送风系统的噪声成因已得到了广泛而深刻地研究。杨阳等[2] 运用实验和仿真分析手段对某商用机组轴流风机系统噪声异常问题进行了分析,并从叶尖干涉和风叶工作变形的角度进行了优化设计，改善了噪音问题。胡斯特等[3~4]研究了导风圈覆盖率和轴流风叶叶顶泄漏涡对空调外机气动噪声的影响机理，并确定了导风圈最佳覆盖率。孙杨智等[5]通过Fluent数值模拟的方法确定了轴流风叶的旋转噪声主要由叶片外缘脱落漩涡引起的剧烈气流震荡所致，并不完全由脉动压力产生。周伟峰等[6]设计了一种带有径向导风筋条的空调机出风格栅，可有效提升风机静压效率，降低外机气动噪声。

综上，在家电领域，对于轴流送风系统的降噪研究多见于空调外机系统，但对于轴流风扇的降噪研究，特别是进风格栅对轴流风扇的气动噪声影响研究却鲜有报道。鉴于此，本文基于某款空气循环扇，采用仿真和实验相结合的方法，研究了不同进风格栅旋向下的整机气动噪声，确定了在保证风量的前提下，可有效降低气动噪声的逆旋格栅方案。

1格栅、风叶结构参数和优化方案

本文研究的对象是规格为200mm的空气循环扇，风叶及进风格栅结构示意图和参数表如下：

图1 原格栅和风叶结构示意图

表1 原格栅和风叶参数表

原方案采用没有任何旋转角度的直进风格栅，进风顺畅、风量大，但是高档位运行会产生“嗡嗡”的气动噪声，极大地降低了用户体验。因此，从提高 进风流向与扇叶旋转产生气流流向的一致性，以减小紊流引起的气动噪声的角度，设计了正旋格栅。从增加进风阻力，降低进风流速，以减小风叶与流域的叶尖干涉，抑制涡流产生从而降低噪音的角度，设计了逆旋格栅。正、逆旋格栅结构示意图如下:

图2 正、逆旋格栅结构示意图

2 仿真对比分析

与直进风格栅相比，正、逆旋格栅的气动性能首先通过仿真手段进行初步摸底验证。

2.1气动噪声基本理论

气动噪声主要是由于叶轮旋转时气体的非稳定流动而导致的气体与气体以及气体与固体壁面相互作用产生的噪声。轴流风机的气动噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声又称为离散噪声，是由叶轮旋转引起的叶片周期性地扰动附近气体产生。其频率计算公式如下：

                                                   （1）

式中：n——叶轮转速（rpm）

Z——叶片数

I——谐波序号，i=1时为基频，i=2,3,4，…时为高次谐音。

涡流噪声又称为湍流噪声或宽频噪声，主要由于紊流边界层、叶尖涡、旋涡脱落等引起的压力脉动导致，这些压力脉动呈现出随机性，在频谱图上呈现明显的连续谱，有很宽的频率范围。

2.2 计算模型及网格划分

在本次仿真计算过程中，只保留了进风格栅、风叶和出风格栅进行网格划分。循环扇机头直径262mm，流体域直径为循环扇机头直径的3倍，进风口距离进风格栅500mm，出风口距离风扇出风格栅1500mm，可保证风扇进出风流动充分发展。由于风叶和格栅都为复杂的不规则形状，为了贴合整个模型，采用非结构四面体网格划分，最小网格尺度为0.5mm，最大网格尺度为15mm，网格增长率设置为1.1，最终网格总数为2004万，网格质量良好。

图3 计算模型示意图

2.3 仿真设置及结果分析

2.3.1稳态噪声源分析设置及结果分析

稳态噪声源分析是在正常流体仿真的基础上增加了Broadband Noise Source模型。湍流模型选择标准k-epsilon模型，流体域进出口选择压力进出口，旋转域边界采用滑移网格，其它边界均设置为标准壁面。计算选择Simple算法，压力选择Stand标准离散方式，动量、湍流度和湍流离散率均采用一阶精度。风叶转速为2000rpm，计算6000步，计算得到的仿真数据如下：

         直格栅                      正旋格栅                     逆旋格栅

图4 风叶和格栅噪声源分布云图

        直格栅                        正旋格栅                      逆旋格栅

图5 湍动能分布云图

         直格栅                      正旋格栅                      逆旋格栅

图6 流速分布云图

表2 仿真数据汇总表

虽然仿真得到声功率具体数值与实际会有较大差异，但通过控制变量法得到的仿真结果对比趋势和差值仍有参考价值。仿真得到的整个循环扇噪声源分布如图4，由云图可知：在不同格栅方案下，风叶是产生气动噪音的主要部件，由于叶顶区域的周向线速度大，起对气流的主要做功作用，所以风叶叶顶边缘区域对噪声源的贡献最大，其最大声功率值从大到小排列的格栅方案分别是直格栅、正旋格栅和逆旋格栅。直格栅方案和正旋格栅方案的声功率值相差不大，逆旋格栅方案的声功率值相比于前两个方案降低了约1dB。分析其主要原因：直进风格栅的进风风阻最小，使得进风风量大，且来风方向与循环扇风叶轴线平行，风叶旋转过程中，叶尖与进风气流的相对速度大，湍流强，所以因叶尖涡流和涡流脱落导致的气动噪声最大。相比而言，正旋格栅对循环扇进风进行了整流，提高了进风流向与风叶旋转产生气流流向的一致性，减少了气流进入风叶旋转区域的气流突变，更好地保证了气流的均匀性，从而相对减小了紊流引起的气动噪声。逆旋格栅方案的进气旋向与风叶旋向相反，其虽然提高了进风流向与风叶旋转气流流向的差值，增加了因叶尖涡流产生气动噪声的几率，但循环扇风道内气流的频繁转向也增大了流道阻力，使得进风量减小，反而抑制了涡流串的产生，减小了气动噪声。仿真得到的气体流速和湍动能分布云图，见图5、图6，也验证了这一分析，其与声源噪声值的大小趋势一致。

2.3.2 远场声场声压监测设置及结果分析

远场声压计算需分为两步，且均为瞬态计算。流动选择大涡模拟模型，先不开启声场，待流场计算稳定后（风叶旋转约20圈的计算时长），再激活FW-H远场计算模型。定义声源为叶片和进出风格栅，声压监测点选择在风叶正前方1000mm处。计算选择Simple算法，压力选择PRESTO！离散方式，动量、湍流度和湍流离散率均采用一阶精度，瞬态方程选用Bounded Seconded Order Implict隐式计算。对距离风叶正前方1000mm处的监测点进行声压监测，仿真计算得到的频谱数据如下:

直格栅                                   逆旋格栅

   图7 仿真噪声频谱图

由仿真频谱数据可知，直格栅方案监测点的噪声声压峰值为37.3dB，逆旋格栅方案同一位置监测点的噪声峰值为31dB，逆格栅方案降噪明显，相比于直格栅方案噪声峰值可降低6.3dB。

3 实验分析验证

为了验证仿真结论，对不同格栅方案进行了噪声实验测试。实验噪音测试采

用半径R为1000 mm的全球包络面测试方法，风扇机头中心置于距地面1500mm的高处，风扇摆放位置和4噪声测点分布如图8所示：

图8风扇和测点位置示意图

测试完成后，需要对测点噪音数据进行加权计算处理，平均声压级计算方法如下：

                 （2）

式中，N为侧点数；Lpi为测点声压级。

在所测得的声压数据的基础上计算声功率级：

                                        （3）

式中，S为包络面表面积，S0=1m2。测试得到的各测点声压噪声频谱数据如下：

直格栅

逆旋格栅

图9 噪音频谱对比图

如实测频谱数据所示，在相同风叶转速下，测点处直格栅最高的峰值噪音为34.4dB，弯格栅的最高峰值噪音为28dB。相比于直格栅方案，逆格栅方案的声压峰值噪音下降了6.4个dB，音质改善明显，与仿真趋势和结论一致。

4 结论

本文采用仿真和实验相结合的方法，研究了循环扇进风格栅旋向对整机气动噪音的影响，得到如下结论:

1、本文通过机理分析首先设计可能解决问题的不同进风格栅方案，然后通过横向对比的CFD仿真方法摸清规律，确定方案，最终通过实验测试验证了仿真结论。虽然基于Ansys Fluent 平台的噪声仿真在数值精确度上存在一定的问题，但运用其在不同方案的横向对比仿真分析中得到的数值发展趋势的结论，还是有很大的参考价值的。

2、由噪声源仿真分析可知：由于叶顶处周向线速度大，起到主要切割空气域和对空气做功作用，因此轴流风叶的主要噪声源来自于叶顶，特别是叶顶前缘和后缘处，这是由轴流风叶本身的结构特性决定的。

3、进风格栅旋向对循环扇整机的气动噪音影响很大，主要是进风格栅旋向改变了风叶前的空气流向，从而影响了整个循环扇风道的气动特性。逆格栅方案增加了整个风道的空气阻力，减小了进气速度，抑制了涡流串的产生和分离，相比于直格栅方案，噪声峰值可降低6.4个dB，解决了音质问题。

参考文献

[1]胡斯特等.空调室外机轴流风扇叶顶泄漏涡流动及噪声机理研究[J].空调及热泵制造技术.

[2]杨阳,周军.基于工作变形的轴流风叶异常噪声研究

[J].格力电器报,2015,12(1):21-28.

[3]胡斯特, 胡小文, 张辉. 空调室外机轴流风扇叶顶泄漏涡流动及噪声机理研究[C]. 2018年中国家用电器技术大会.

[4]胡小文, 胡斯特, 张辉. 家用空调室外机导风圈覆盖率对风道性能和噪声影响的实验研究[J]. 2018年中国家用电器技术大会.

[5]孙扬智, 肖世德, 徐鑫凯,等. 轴流风机旋转叶片的气动噪声分析[J]. 噪声与振动控制, 2016, 36(4):5.

[6]]周伟峰, 陈绍林, 熊军,等. 基于后导叶原理的空调室外机出风格栅研究与应用[J]. 流体机械, 2018, 46(10):4.