第 1 章   緒論

1.1   研究背景及意義
軸流風(fēng)機作為工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中的流體（旋轉(zhuǎn)）機械，在國民經(jīng)濟中起到關(guān)鍵的作用，并應(yīng)用到各種場所和行業(yè)，如軌道交通、家用電器、汽車行業(yè)、公路隧道和各類電子設(shè)備的散熱等[1-5]。目前，我國各類風(fēng)機的使用總數(shù)達到 2100 萬臺，其中在礦業(yè)資源開發(fā)上風(fēng)機用電量占采礦用電的 30%，鋼鐵工業(yè)的風(fēng)機用電量占生產(chǎn)用電的 20%，交通運輸業(yè)中汽車發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的消耗功率占發(fā)動機輸出功率的 5%～12%[6]。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和經(jīng)濟規(guī)模的擴大，能源的需求日劇增加，能源的供需矛盾日益突出，軸流風(fēng)機的功耗基數(shù)大，開展其節(jié)能降耗的研究成為廣大科研工作者需要解決的難題。 在工業(yè)化和現(xiàn)代化的今天，噪聲已經(jīng)成為影響人們正常學(xué)習(xí)、生活和工作的重要污染，人們長時間暴露在噪聲污染的環(huán)境中，不僅影響身心健康，而且會誘導(dǎo)各種疾病的產(chǎn)生。低壓軸流風(fēng)機目前普遍存在工作效率低、噪聲值較高等問題。目前，越來越多的科研工作者開始研究如何提高風(fēng)機的工作效率和降低其噪聲[7-10]。軸流風(fēng)扇的噪聲主要可歸結(jié)一下幾大類：氣動噪聲、氣固耦合噪聲、機械結(jié)構(gòu)振動噪聲、電機噪聲，其中氣動噪聲占主要部分，相對而言難以有效的控制[11]。降低風(fēng)扇噪聲的主要途徑有兩種：一是控制噪聲源來降低噪聲，利用流體力學(xué)和空氣動力學(xué)原理對風(fēng)扇的主要工作部件進行有效設(shè)計，控制邊界層以及內(nèi)部渦流的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進而降低噪聲。二是控制噪聲傳播路徑降低，采用吸聲、隔聲、消聲、阻尼減振等傳統(tǒng)控制技術(shù)。相比較而言，前者技術(shù)難度較大，目前尚未有成熟的有效的方法；后者只能在一定程度上降低噪聲，并未從根本上降低風(fēng)扇的噪聲問題，降噪效果不顯著。 仿生學(xué)在許多科學(xué)研究和技術(shù)工程領(lǐng)域都取得了巨大的成就。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實際的需要，在眾多的工程技術(shù)領(lǐng)域也相應(yīng)地開展了對口的技術(shù)仿生研究[12]。因此，在軸流風(fēng)扇的設(shè)計和優(yōu)化過程中，運用仿生學(xué)原理，尋找新技術(shù)、新思路來提高其氣動性能、工作效率，降低氣動噪聲，對于節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 
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1.2   軸流風(fēng)機研究現(xiàn)狀
彎掠葉片定義來源于對航空機翼的研究。葉片在周向順時針旋轉(zhuǎn)方向傾斜稱為“前彎”，逆時針方向旋轉(zhuǎn)傾斜為“后彎”；葉片在軸向逆來流方向傾斜稱為“前掠”，順來流方向稱為“后掠”，如圖 1.1 所示[13]。彎掠葉片與氣流相互作用時，不僅存在軸向和周向力，還存在徑向力。近年來，彎掠葉片在軸流風(fēng)機葉片上的優(yōu)良性能已被廣大研究者 所證實。葉片彎掠設(shè)計不僅可以有效的控制流動損失、提高氣動效率、降低氣動噪聲，而且還能在一定程度上提高風(fēng)機穩(wěn)定工作區(qū)域[14-18]。 上海交通大學(xué)李楊[19]對低壓軸流風(fēng)機周向彎曲葉內(nèi)的流動特征進行了詳細(xì)的實驗和數(shù)值模擬研究，通過遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的優(yōu)化設(shè)計方法，對 T35 型低壓軸流風(fēng)扇葉片進行了優(yōu)化設(shè)計，如圖 1.2 所示；研究發(fā)現(xiàn)，周向前彎 6.1°優(yōu)化葉輪與原型葉輪相比在氣動和聲學(xué)性能上都有明顯的提高，全壓系數(shù)提高了 3.56％，A 級聲壓級降低了 6dB，穩(wěn)定工作區(qū)增加了 36.4%。 T.Wrigh 和 W.E.Simmons[20]對低壓軸流風(fēng)機研究發(fā)現(xiàn)，氣動和聲學(xué)實驗表明前彎、前掠葉片提高了風(fēng)扇的體積流率和全壓；相比原型風(fēng)扇，平均聲壓值降低了 7dB。如圖1.3 所示，法國學(xué)者 Hurault[21]等通過實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析發(fā)現(xiàn)，前掠葉片能減小速度在徑向上的分量，相反，后掠葉片卻增加速度在徑向上的分量；彎掠葉片對葉片下游的湍動能有重要的影響。 
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第 2 章   軸流風(fēng)機葉片仿生設(shè)計

2.1   風(fēng)機葉片仿生設(shè)計學(xué)術(shù)思想 
大自然界中，生物經(jīng)過億萬年的進化，形成了具有與環(huán)境相適應(yīng)的軀體特征。對魚類而言，其附加器官魚鰭必然與其主流流場相適應(yīng)的。魚在游動的過程中，通過肌肉對魚鰭的擺動進行主動控制，魚鰭在長期的被動環(huán)境中，久而久之必然進化成和魚體周圍流場相適應(yīng)的優(yōu)良構(gòu)形以減小魚鰭在流動過程中所受到的阻力。國內(nèi)外研究者關(guān)注了魚鰭的水動力學(xué)性能，通過應(yīng)用流場可視化技術(shù)分析魚鰭的擺動產(chǎn)生的尾渦結(jié)構(gòu)[89-91]。如圖 2.1 所示，對大部分魚類而言，魚鰭都是由剛性骨質(zhì)鰭條和柔性皮膚連接而成，這種構(gòu)形具有非光滑與柔性兩種減阻特性的生物耦合系統(tǒng)必然會對周圍的流場形成良好的適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性。 早有研究表明，剛性肋條表面和柔性表面均可以抑制湍流猝發(fā)，降低壁面法線方向的速度梯度及湍動能的損耗，降低壁面湍流強度，削弱壁面脈動壓力，減小壁面阻力和降低噪聲的作用。因此，基于柔性及肋條形貌特征的魚鰭仿生表面應(yīng)用于軸流風(fēng)機葉片的設(shè)計，可能會獲得更加優(yōu)良的減阻降噪性能。 
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2.2   仿生風(fēng)機葉片正交試驗方案

試驗優(yōu)化設(shè)計是在最優(yōu)化思想的指導(dǎo)下，通過廣義試驗進行最優(yōu)設(shè)計的一種優(yōu)化方法，也是應(yīng)用數(shù)學(xué)的一個新興分支[92]。它從不同的優(yōu)良性出發(fā)，合理的設(shè)計試驗方案，有效控制試驗干擾，科學(xué)處理試驗數(shù)據(jù)，全面進行優(yōu)化分析，直接實現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)，已經(jīng)成了現(xiàn)代優(yōu)化技術(shù)的一個重要方面。 正交試驗設(shè)計是研究多因素、多水平的一種設(shè)計方法。正交試驗是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分能反應(yīng)全部試驗特性的點進行試驗，這些點具備了“均勻分散、齊整可比”的特點。正交試驗設(shè)計的基本程序是設(shè)計試驗方案和處理試驗結(jié)果。主要步驟為[92]：明確實驗?zāi)康�、確定試驗指標(biāo)、確定需要考察的因素及水平、選用合適的正交表、表頭設(shè)計。 本試驗的目的是為了探究葉片壓力面的剛?cè)嵯嚅g結(jié)構(gòu)對風(fēng)機氣動和聲學(xué)性能的影響，并獲得在設(shè)計試驗空間內(nèi)的最優(yōu)解。參考本實驗室前期對軸流風(fēng)機的研究，并綜合考慮可行性和工程技術(shù)等因素，剛?cè)嵯嚅g結(jié)構(gòu)主要從肋條形態(tài)結(jié)構(gòu)、肋條的高度、肋條的間距三個因素進行試驗研究，同時每個因素選取三個水平。試驗因素水平表見表 2.1： 

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第 3 章  仿生風(fēng)機葉片氣動性能試驗 .... 21 
3.1  風(fēng)機及其分類 ..... 21 
3.2  軸流風(fēng)機主要氣動參數(shù) ......... 22 
3.3  氣動性能試驗 ...... 25
3.4  本章小結(jié) .... 35 
第 4 章  仿生風(fēng)機葉片氣動噪聲測試試驗 ...... 37 
4.1  氣動噪聲源 ........ 37 
4.2  軸流風(fēng)機噪聲 ...... 38
4.3軸流風(fēng)機噪聲的主要物理量 ....... 40 
4.4 軸流風(fēng)機噪聲的評價 ....... 43 
4.5 氣動噪聲試驗 ....... 44
4.6 試驗結(jié)果分析 ....... 49
4.7 本章小結(jié) .... 61 
第 5 章  仿生風(fēng)機葉片模型數(shù)值模擬 .... 63 
5.1  CFD 前處理 ........ 63 
5.1.1  計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分 ....... 63 
5.1.2  數(shù)值模擬方法 ....... 65 
5.1.3  邊界條件和求解設(shè)置 ....... 66 
5.2  模擬結(jié)果分析 ...... 68
5.3  機理分析 .... 71 
5.4  本章小結(jié) .... 72 

第 5 章   仿生風(fēng)機葉片模型數(shù)值模擬

本章應(yīng)用 Fluent 軟件對仿生風(fēng)機葉片的氣動性能進行數(shù)值模擬，風(fēng)機葉片表面柔性材料對邊界層流場結(jié)構(gòu)的影響通過數(shù)值模擬的手段準(zhǔn)確模擬存在較大的難度。本文模擬是將柔性表面簡化成剛性表面，重點考察壁面結(jié)構(gòu)對于風(fēng)機內(nèi)流場的影響機制。

5.1   CFD 前處理 
風(fēng)機的具體尺寸參數(shù)見第 2 章，風(fēng)機數(shù)值模擬風(fēng)洞模型如圖 5.1 所示，整個風(fēng)洞模型分為四個區(qū)域，分別為：入口段、葉片轉(zhuǎn)動、葉頂間隙流動和出口段區(qū)域。為了簡化模型和提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，忽略風(fēng)機支架對流場的影響。 網(wǎng)格的劃分和選擇是數(shù)值分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是保證獲得理想結(jié)果的關(guān)鍵因素之一。構(gòu)建合理、適合模型要求和相對簡單的網(wǎng)格不僅能有效的提高工作效率，同時能加快計算的收斂。 為了保證網(wǎng)格對仿生風(fēng)機葉片模型表面肋條結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格對計算區(qū)域進行離散。風(fēng)機葉片表面進行局部加密，以保證可以更好的捕捉風(fēng)機內(nèi)部的流動情況和葉片表面的流場分布。網(wǎng)格劃分采用 Hypermesh 軟件，相比其他網(wǎng)格劃分軟件，Hypermesh 軟件對 CAD 模型有良好的適應(yīng)性、對幾何模型的前處理功能比較強大、導(dǎo)入復(fù)雜的幾何模型不容易失真。 網(wǎng)格的疏密在一定程度上決定了求解結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此在求解之前，要對計算域進行網(wǎng)格無關(guān)性分析。對于圖 5.1 的計算模型來說，模擬結(jié)果的主要影響區(qū)域為葉輪段網(wǎng)格的疏密。如圖 5.2 所示，本次模擬采用的是原型風(fēng)機在 2320rpm 轉(zhuǎn)速下不同網(wǎng)格數(shù)和流量對應(yīng)關(guān)系圖，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，風(fēng)機出口流量達到一定值之后趨于穩(wěn)定，且同試驗結(jié)果較為吻合，可以作為本次分析的網(wǎng)格劃分依據(jù)。 
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結(jié)論

（1）分析了基于魚鰭形態(tài)及材料特性的剛?cè)嵯嚅g結(jié)構(gòu)表面用于風(fēng)機葉片流場的可行性；采用高精度的 3D 打印技術(shù)，制備了風(fēng)機葉片剛性表面模型，并保證了表面肋條結(jié)構(gòu)不失真和較低的粗糙度。選用 EVA單面海綿泡沫單面膠帶，粘貼于兩肋條表面間，完成了試驗樣件制備。 
（2）采用 LW-9015-250 全自動風(fēng)量及壓力測量試驗風(fēng)洞對仿生葉片風(fēng)機模型進行了氣動性能測試，獲得了流量-靜壓曲線、流量-功率曲線、流量-靜壓效率曲線。對比分析可知，仿生風(fēng)機的最大靜壓和最大流量略有降低，但其功率消耗均明顯低于原型風(fēng)機，降幅約在 2%～4%；在工作電壓為 7.5V 和 9.5V，同原型風(fēng)機相比，大部分仿生葉片風(fēng)機模型的最大靜壓效率得到了明顯提高，其中電壓為 7.5V 時，1、2 號仿生風(fēng)機最大靜壓效率提高了 10.1%和 6.9%；電壓為 9.5V 時，2、6、8、9 號仿生風(fēng)機最大靜壓效率分別提高了 4.2%、3.4%、6.2%和 3.0%。 
（3）采用北京聲望公司提供的聲學(xué)測試儀器對仿生風(fēng)機和原型風(fēng)機在不同工作電壓下的 A 記權(quán)聲壓級頻譜和總噪聲值進行了測試。通過對仿生風(fēng)機和原型風(fēng)機的 1/3倍頻程頻譜圖對比分析發(fā)現(xiàn)，電壓為 5.5V 時，風(fēng)機的主要噪聲為寬頻噪聲，離散噪聲不明顯；電壓為 8.5V 和 11.5V 時，，在低頻段出現(xiàn)了幾處離散噪聲點，仿生風(fēng)機對寬頻噪聲和離散噪聲均有顯著的抑制作用，相比與離散噪聲值，仿生風(fēng)機寬頻噪聲的 A 聲級的降低較為顯著；在中高頻段，A 聲級較原型風(fēng)機有明顯的降低。由此可知，剛?cè)嵯嚅g表面對渦流的產(chǎn)生和脫落均有抑制作用。
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參考文獻(略)
 

本文編號：40827