船用压气机气动噪声源频谱特性数值研究.pdf

2 0 1 4年第 4 2卷第 1 0期 流体机械 2 1 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 4 1 0 0 0 2 1 0 5 船用压气机气动噪声源频谱特性数值研究 温华 兵 。 桑 晶晶 ， 刘红 丹 1江苏科技大学振动噪声研究所 ， 江苏镇江 2 1 2 0 0 3 ； 2重庆江增船舶重工有限公司， 重庆 4 0 2 2 6 3 摘要 以某型号大型船用涡轮增压器压气机为研究对象， 以 C F D软件为平台， 利用具有 k一￡ 双方程湍流模型的N s方程计算了压气机的三维黏性非定常流场特性。采用 F f o w c s Wi l l i a m s Ha w k i n g s 方程 简称 F wH方程 对压气机 的离散噪声进行了分析， 并与经验公式进行了比较。深入研究了不同转速、 流量对压气机气动噪声的影响。分析表明， 叶轮内气动噪声水平较高， 是主要噪声源； 转速对于离散噪声影响较大， 转速增加一倍， 声压级上升约 1 4 d B ； 同一转速 下， 流量的降低将导致噪声幅值增加 ， 但相对于转速变化其影响较小。 关键词 涡轮增压器； 压气机； 非定常流； 气动噪声； 频谱 中图分类号 T H 4 5 文献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 4 ． 1 0 ． 0 0 5 Nume r i c a l I n v e s t i ga t i o n o f Sp e c t r al Ch a r a c t e r i s t i c s o f Ae r o d y na m i c No i s e S o ur c e f o r M a r i n e Tur b oc ha r g e r Co m p r e s s o r WE N H u a b i n g ， S A N G J i n g - j i n g ， L I U H o n g ． d a n 1 ． I n s t i t u t e o f N o i s e a n d V i b r a t i o n ， J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a ； 2 C h o n g q i n g J i a n g j i n S h i p b u i l d i n g I n d u s t r y C o ． ， L t d ， C h o n g q i n 4 0 2 2 6 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e u n s t e a d y t h r e e - d i me n s i o n a l v i s c o u s f l o w fi e l d o f a l a r g e ma r i n e t u r b o c h a r g e r c o mp r e s s o r w a s s i mu l a t e d b y N a v i e r S t o k e s e q u a t i o n s wi t h t h e t w o ． e q u a t i o n k一8t u r b u l e n c e mo d e l b a s e d o n t h e C F D s o f t wa r e ． T h e d i s c r e t e n o i s e o f t h e c o m． p r e s s o r w a s a n a l y z e d b y t h e F f o w c s Wi l l i a ms Ha w k i n g s f o r mu ] a t i o n F W H f o r s h o r t ， a n d t h e r e s u l t s w e r e c o m p a r e d w i t h t h e e x p e r i me n t a l f o r mu l a ． Th e e f f e c t o f t h e s p e e d a n d t h e fl o w r a t e o n t h e a e r o d y n a mi c n o i s e w a s f u r t h e r s t u d i e d ． T h e n u me r i c a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e a e r o d y n a mi c n o i s e o f t h e i mp e l l e r i s d o mi n a n t ； t h e r o t a t i n g s p e e d o f t h e i mp e l l e r h a s a g r e a t i n f l u e n c e o n t h e d i s c r e t e n o i s e， t h e n o i s e i n c r e a s e d b y a b o u t 1 4 d B w h e n t h e r o t a t i n g s p e e d wa s d o u b l e d ； t h e n o i s e w i l l i n c r e a s e wh e n t h e fl o w r a t e r e d u c e s a t t h e s a me s p e e d， b u t t h e e f f e c t i s mu c h l e s s t h a n t h e s p e e d o f t h e i mp e l l e r ． Ke y wo r d st u r b o c h a r g e r ； c o mp r e s s o r ； u n s t e a d y flo w； a e r o d y n a mi c n o i s e ； fre q u e n c y s p e c t r u m 1 前言 离心式压气机被广泛应用于大型船舶及发电 站的增压柴油机 ， 是增压系统 的重要组件。随着 对柴油机输出功率需求 的增加 ， 其气体质量流量 以及压比亦随之上升。叶轮机械的气动功率随着 叶尖速度三次方增加 ， 而 由此产生 的声功率将 以 叶尖速度 的 5 6次方速度增加 ， 因此 ， 对于压 气机 的降噪十分必要 ， 尤其是船用大 型涡轮增压 系统 ， 其压气机是增压器 的主要气动噪声源。为 收稿 日期 2 0 1 4一O 1 0 7 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 1 1 3 0 2 0 8 8 了有效降低压气机气动噪声 ， 需从源头对气动噪 声 的形成及分布进行分析。 目前 ， 对 叶轮 机械气动 噪声 的研 究较少 ， 且主要 以 实验 研 究 为 主。随 着 计 算 流体 力 学 C F D 和计算气动声学 的发展 ， 用数值方法研究 压气机气动声学问题具有必要性和必然性。刘秋 洪等对离心风机使用声类 比法 A A A 进行了气 动噪声频谱分析 ， 文献 [ 4 ] 利用 E u l e r 方程以及 边界元法 B E M 分别对离心式压气机进行 流场 及离散噪声 的数值分析， J e o n和 L e e 利用简化模 2 2 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 2， No ． 1 0， 2 01 4 型对离心叶轮噪声进行数值预测， 在保 证预测精 度的同时降低 了分析 难度 。温华 兵等对 大型 船用增压器进行了噪声频谱分析及声强识别实 验。 。 J 。T i l l R a i t o r 等进行 了离心式增压器的噪声 实验 ⋯， 研究 了气动 噪声 频谱及产生机理 ， 是对 径流式增压器 的气 动噪声机理最为 系统性 的研 究 J 。本文利用有限体积法 F V M 对船用大型 离心式压气机进行三维非稳态黏性流场数值计 算 ， 在此基础上 ， 使用 L o w s o n方程分析 了模型的 离散噪声特性及形成机理 。 2 流场及气动噪声仿真模型 本文分析对象为船用涡轮增压器离心式压气 机 ， 额定转速 2 9 2 0 0 r ／ m i n ， 结构组成包括 入 口管 、 叶轮 主流叶片及分流叶片各 1 0组 、 有叶式扩压 器和蜗壳。采用 F L U E N T软件对分析模型进行三 维非稳态全流场数值分析， 在计算域中设置叶轮为 运动件 ， 其余为静止件， 压气机结构如图 1 所示。 一 图 1 压气机结构 为适应压气机 的结构复杂性 ， 并提高 网格质 量， 使用分块网格以及非结构网格划分技术 ， 在叶 轮部分的网格划分较密 ， 网格数为 7 6 ． 6万， 以精确 捕捉流动信息， 进气管、 扩压器和蜗壳的网格数分 别为 6 ． 1 万 、 3 ． 7万和 2 1 ． 7万。在进气管一叶轮 、 叶轮一扩压器动静结合部采用 I n t e r io r 边界条件， 可省去插值过程， 提高计算速度和精度 。流动介质 为可压理想气体， 固壁边界为绝热无滑移条件。 非定常计算的控制方程采用三维雷诺守恒型 N S方程， 湍流模型采用 R e a l i z a b l e k一8双方程 模型， 取标准壁面函数。离散方程求解使用隐式 分离法 ， 压力修正项采用 S I MP L E C算法 。为了克 服假扩散 ， 对流项采用具有三阶精度的 Q U I C K格 式离散， 扩散源项采用二阶中心格式离散 ， 时间项 采用二阶隐式格式离散。计算时间步长为2 ． 5 1 0 ～s ， 计算结果收敛条件为整个系统的质量、 动 量、 能量不平衡误差小于 0 ． 1 ％。 为详细分析流动特征和离散 噪声机理 ， 在压 气机内设置监测点如图 2所示。P 1 、 P 2 、 P 3位于 流道的人 口、 中部和出口， O 1 、 O 2 、 O 3位于叶轮 出 口附近 ， D 1 、 D 2 、 D 3位于扩压器人 口的无叶区。 0 D 图 2 监测点布置 在流场数值分析 的基础上 ， 利用噪声 比拟模 型 F W． H模型 作离散噪声求解。F w． H方程利 用最通用的 L i g h t h i l l “ 噪声 比拟” 方法计算流体 中 运动 固体壁面对噪声 的作用 ， 如式 1所示 。式 中 右端描述 3种噪声 源类型 ， 右边第一项是 由质量 流人计算域导致 的单极子源， 又称为运动物体的 厚度声源 ； 第二项属于运动物体表面对 当地流体 的起伏力所引起的偶极子声源 ， 又称为运动物体 的载荷声源； 第三项是由赫维赛德函数 日 _厂 决 定的分布于物体表面以外流体中的体声源 ， 属于 物体表面以外与非线性流动密切相关的四极子声 源 ， 其能量取决 于对流动 中湍流细节 的模拟 ， 它为流体 中的内应力声源 。 一 p- p 。 日 ] a0 ot 击 { 一 P 。 ] 筹 一 O x j { [ p - P 0 ] [ Ⅳ ] 1 式中p 气体密度 p 远场声压 0 下标 ， 未扰动量 时间 V i 方向的流体速度分量 方向的面速度分量 L i g h t h i l l 应力张量 6 克罗内克符号 应力张量 Ⅱ n 远场声速 ． H e a v i s i d e 广义函数 2 0 1 4年第 4 2卷第 1 0期 流体机械 2 3 6 ． 书 函数 日 、 6 的定义分别为 0 f 2 为了预测由气动脉动导致的辐射噪声， 定义 叶轮叶片以及扩 压器 叶片为声源 面， 在 自由场 中 使用 G r e e n函数对 F W_ H方程求解 ， 利用 L o w s o n 方程对叶轮叶片 、 扩压器叶片的声源单元进行计 算 ， 即可得到流场 中任一点处的声压 ， 、 Y p ， 可 [ 鲁 警] ㈤ 式 中 脉动力 、Y i 观察点 和源点 Y的坐标 ‰声速 ， ， 为观察点和源点间的距离 声源在声传播方向的运动马赫数 方向上的加速度分量 对压气机 内部离散 噪声特性 的分析 ， 则是通 过快速傅立叶 F F T 变换得到压气机内部各监测 点 的气动噪声频谱 ] 。 3内部流场结果分析 提取压气机内流场计算结果， 对监测点的特 征值求点平均 。9个监测点 的动压 、 全压 、 流速值 具有相同的变化趋势 各点的监测值随转速的下 降而降低， 在转速不断降低时， 特征值的下降趋势 逐渐放缓。以流道 内监测点 P l 、 P 2 、 P 3的动压及 流速为例进行分 析 ， 如 图 3所示 ， 随着转速 的上 升 ， 各点数值随之增加 ； 沿着流动方向 ， 流速与压 力呈增加趋势 ， 且随转速 的增加 ， 其趋势渐陡。对 于扩压器人 口监测点 ， 位于扩压器叶片前端 的 D 2 数值大于 D 1 、 D 3 。其主要是由于气流冲击静止 叶片导致 D 2处极 易形成 涡流流动 ， 导致能量损 失 ， 气动噪声水平增加。 1 O0 5 0 O ． 6 1 ． O 转 速 比 45 0 2 2 5 皂 蹩 O 图3 流道内监测点速度与动压随转速变化 图4为额定转速时压气机截面的动压等值 线 ， 流道 内沿流动方 向， 动压值不断增加 ， 等值线 密集 ， 在扩压器 叶片前缘 D 2位置附近形成涡 流 区 ， 速度与压力都发生剧烈变化 ， 容易形成水平较 高的气动噪声。因此 ， 为 了减小能量损失并降低 气动噪声， 应调整扩压器叶片人口角， 并将叶片前 缘加工成圆头 。 1 8 7e 05 I ． 68 e 05 】 ． 49 e 05 1 3l e 05 1 ． 1 2 e 05 9 3 4 e 0 4 7 4 7 e 0 4 5 ． 6 I e 0 4 3 ． 7 4 e 0 4 1 ． 8 7 0 4 Y 6． 43 e 01 图4 额定转速时的截面动压等值线 4 声场结果分析 离散噪声及涡流噪声是压气机气动噪声的主 要组成部分。涡流噪声具有较强 的随机性 ， 在各 个频率的噪声级脉动不大。离散噪声主要由基频 及其谐波组成， 其频率为 厂 4 式中 谐波次数 n 叶轮转速 压气机叶片数 图 5为转速比 r 为 0 ． 2 5时部分观测点的声 压级频谱图 ， 其声压级频谱具有 明显 的离散频 谱 特性 ， 最高 峰值 出现在 叶频 B P F 的基频位置 ， B P F噪声是气动噪声的主要部分， 对总体噪声级 具有主导作用 。 S ∞ 邕 证 2 0 0 l 0 00 0 2 0 00 0 频率 H z 图5 r 0 ． 2 5时的声压级频谱 F L U I D MAC HI NE RY V o 1 ． 4 2， N o ． 1 0， 2 0 1 4 叶轮流道内观测点 的噪声频谱结构相似 ， 幅 值相近 ， 压力波动较大的流道 出口P 3位置的声压 级最大。在流道人 口观测点 P 1 处受主流叶片 z 1 0 的作用引起气流紊流噪声在 B P F处峰值明 显 ， 其 基 频位 于 1 2 1 6 H z ， 此 处 声 压级 1 3 4 ． 5 d B A 。而 P 2 、 P 3则在 B P F为2 4 3 3 ． 3 H z 处 出现峰 值 ， 在 2 0 0 0 0 H z 频率范 围内的叶频 B P F 及其谐 次成分 为 2 4 3 3 、 4 8 6 7 、 7 3 0 0 、 9 7 3 3 、 1 2 1 6 7 、 1 4 6 0 0、 1 7 0 3 3 、 1 9 4 6 7 H z 。这说明其主要 由主流叶片和分 流叶片共同扰动作用 Z 2 0 引起 的气流紊流噪 声 。 叶轮出口及扩压器人口处观测点的声压级 ， 也 具有明显的叶频分布特征， 但是幅值远低于叶轮流 道内观测点 ， 且随频率上升而下降的趋势明显。 图 6为比转速 r 0 ． 2 5时叶轮出 口处观测点 的声压级频谱， 最高声压级位于 3 个观测点的基 频处 ， 均为 1 2 5 ． 3 d B A 。叶轮 出 口处气动 噪声 的叶频峰值较为接近， 随着谐波次数的增加， 声压 级呈递减趋势。噪声分布特征与叶轮出 口处的流 动特性相关 ， 在叶轮 出口， 由于高速气流被甩出， 静止 的扩压器叶片对流动的干涉使得此处湍动剧 烈， 流动随机性增加， 而有规律的压力脉动特征不 明 显。 1 4 0 ∞ 暴 8 0 幽 姐 2 O 0 1 00 0 0 频 率 Hz 图6 r 0 ． 2 5时叶轮出口观测点声压级频谱 1 20 ∞ 蠢 7 0 韫 2 0 0 l 0 0 00 频 率 Hz 图7 r 0 ． 2 5时扩压器内观测点声压级频谱 扩压器接收来 自上游叶轮 的气流 ， 内部压力 变化显著且存在动静干涉作用 ， 必然导致作为声 源面之一的扩压器 叶片表面压力脉动 ， 对气动噪 声产生影响。图 7为 r 0 ． 2 5时扩压器内观测点 的声压 级频谱 。最高声压 级位 于 D 2点 的基频 处 ， 为 1 1 9 ． 3 d B A 。3个观测点的声压级频谱结 构差异显著 ， 扩压器人 口靠近 叶片 D 2位置处 的 谐波成分明显 ， 而宽带噪声幅值较低 ； 两侧 D 1与 D 3位置的高次谐波较小 ， 而宽带噪声幅值提高。 4 ． 1 声场的转速变化特性 根据前文的分析结果 ， 叶轮的 B P F噪声具有 较高的水平 ， 是压气 机主要气动噪声源。因此选 择流道内观测点 ， 比较压气机离散噪声随叶轮转 速 的变化特性 。图 8为流道 内 P 2点位置 的声压 级频谱。 l 7 0 ∞ 隶1 2 0 趟 姬 70 O 1 00 00 频 率 Hz 图 8 各转速下 P 2点声压 级 从图可见 ， 在流道内沿着气流方向 ， 随着流速 的上升 ， 声压级明显增加 ； 在低转速时， 声压级 的 B P F离散噪声明显 ， 远高于宽带噪声的幅值 ； 随着 转速的上升 ， 在 B P F离散噪声增加的 同时， 宽带 噪声明显上升； 增压器转速增加一倍 ， 压气机离散 噪声幅值增加约 1 4 d B。 4 ． 2声场的流量变化特性 压气机工作状态不仅受转 速的影响 ， 与流量 变化亦密切相关。为了研究压气机的流量变化特 性 ， 在转速 比r 为 0 ． 5时 ， 对比分析流量 比 Q分别 为0 ． 2 、 0 ． 3 、 0 ． 4时的压气机气动噪声。P 2 处声 压级随流量变化关系如图9所示 。 1 70 ∞ 三1 3 0 疑 幽 报一 O 1 0 0 00 频率 Hz 图 9 r 0 ． 5时 P 2处声压级 随流量变 化关 系 从图可知 ， 流量对压气机叶轮气动噪声 的影 响较小 ， 不改变 B P F及其谐次频率 ， 在各 叶频处 厂 ， 1 鼯 一 ～一 二惫～ 爪 ～ j ， 0 一 毳 ～ l 一 ， 一 -■m口置 一 ■ 一 ●-■ ■●■■ ■一 一 ● ． 1 一 ▲ A 『 I 二 2 0 1 4年第 4 2卷第 l 0期 流体机械 声压级幅值 只有几分贝量级的变化 。在高于 B P F 基频处 ， 声压级幅值随流量降低而增加 ， 原 因是 由 于流量的降低使压气机 内部湍流流动充分发展 ， 气体微团脉动幅值增加， 压力变化加剧。因此， 流 量下降导致离散噪声与宽频噪声 增加 ， 声压级幅 值上升。 4 ． 3与 经验 公 式数值 比较 国内外对气流的噪声开展 了大量试验研究 ， 得出了管道 内气流噪声的半经验公式 L 1 8-4 - 2 6 0 1 g v 5 式中 管道内声压级 ， d B A 管道通道内的流速 ， m ／ s 以转速比 r 0 ． 7 5时所测声压级为例进行对 比分析 ， 提取 9个观测点 的声压级与经验值进行 对 比， 如图 1 O所示。 一 1 7 0 ∞ 奏1 5 5 1 J d 姐 1 02 03 P1 P2 P3 Dl D2 D3 观 测点 图 1 0 r 0 ． 7 5时声压级模拟值与经验值对 比分析 由图可见模拟值与经验值在叶轮出 口及流道 内的误差较小 ， 与管道内气流噪声 的半经验相近 ， 说 明本文预测 的气动噪声结果是可信的 ； 在扩压 器 内的误差相对较大 ， 最大处误差为 1 0 ． 2 d B 。 误差的原 因在于 数值计算 中忽略 了蜗壳及 叶片的辐射及散射作用； 无法完全模拟压气机非 稳态湍流流动 对小规模涡流分析 能力有限 ； 没 有考虑由小规模涡流导致的宽频 噪声的影 响； 试 验结果是在理想 的风洞测试得到的 ， 与压气机 内 复杂的流动存在差异。 5 结论 1 随着转速 的不断增加 ， 压气机气流 的压 力与流速 明显升高 ； 叶轮流道沿流动方 向， 压力与 流速变化明显 ； 在 叶轮 出 口及扩压器入 口处无叶 区， 由于静止叶片的干涉作用 ， 叶轮甩出的高速气 流湍动剧烈 ； 2 叶轮内气 流是 压气机 的主要 气动 噪声 源 ， 流道内沿流动方 向的噪声源水平总体上升 ； 3 压气机气流的离散噪声随着叶轮转速的 上升而增加， 转速增加一倍， 声压级幅值上升约 1 4d B； 4 相同叶轮转速时 ， 流量的下 降导致湍动 剧烈 ， 压力变化幅度增大 ， B P F噪声与宽频噪声增 加 ； 与叶轮转速相 比， 流量对离散噪声影响较小。 参考文献 [ 1 ] R a i t o r T ， N e i s e W． S o u n d g e n e r a t i o n i n c e n t r i f u g a l c o m p r e s s o r s [ J ] ． J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 2 0 0 8 ， 3 1 4 3 7 3 8 5 6 ． [ 2 ] 毛义军， 祁大同． 叶轮机械气动噪声的研究 进展 [ J ] ． 力学进展， 2 0 0 9 ， 3 9 2 1 8 9 2 0 2 ． [ 3 ] L i u Q， Q i D， Ma o Y． N u m e ri c a l c a l c u l a t i o n o f c e n t r i f u g a l f a n n o i s e [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r s ， P a r t C J o u rna l o f Me c h a n i c a l En ． g i n e e r i n g S c i e n c e ， 2 0 0 6 ， 2 2 0 8 1 1 6 7 1 1 7 7 ． [ 4 ] S u n H， L e e S ． N u m e r i c a l p r e d i c t i o n o f c e n t ri f u g a l c o rn p r e s s o r n o i s e[ J ] ． J o u r n a l o f s o u n d a n d v i b r a t i o n ， 2 0 0 4 ， 2 6 9 1 4 2 1 - 4 3 0 ． [ 5 ] l e o n W H， L e e D J ． A n a n a l y s i s o f t h e f l o w a n d a e r o d y n a m i c a c o u s t i c s o u r c e s of a c e n t ri f u g a l i m p e l l e r [ J ] ． J o u rnal o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 1 9 9 9 ， 2 2 2 3 5 0 5 51 1． [ 6 ] 温华兵， 徐文江， 鲍苏宁， 等． 柴油机废气涡轮增压 器噪声机 理及性能试验研究 [ J ] ． 内燃机工程 ， 2 0 1 3 ， 3 4 1 7 6 8 O ． [ 7 ] R a m ma l H ． A c o u s t i c s o f t u r b o c h a r g e r s [ s ] ． 2 0 0 7 S A E No i s e a n d Vi b r a t i o n C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n ． C h a d e s ， US A ， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 良辰． A N S Y S F l u e n t 航空气动噪声解决方案[ J ] ． 航 空制造技术 ， 2 0 1 2 ， 9 1 0 3 - 1 0 4 ． [ 9 ] 朱晓升， 丁振宇， 高增梁． 烟气脱流塔风诱导振动的 T MD控制研究[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 3 ， 3 0 2 8 - 1 4 ． [ 1 O ]张杰 ， 张雪梅， 沈岑 ， 等 ． 基于 M o d e l i c a ／ D y m o l a的小 型燃气轮机建模与仿真 [ J ] ． 机 电工程， 2 0 1 3， 3 0 4 4 7 6 - 4 7 9 ． [ 1 1 ]万剑峰 ， 杨爱玲， 戴韧． 开式叶轮气动噪声信号离析 方法和运用[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 1 1 6 - 1 1 ． [ 1 2 ]万剑峰， 杨爱玲． 基于相关分析的开式叶轮气动噪 声的试验研究[ J ] ， 流体机械 ， 2 0 1 3 ， 4 1 1 0 1 - 6 ． [ 1 3 ]盛美萍 ， 王敏庆， 孙进才， 等． 噪声与振动控制技术 基础[ M] ． 北京 科学出版社， 2 0 0 1 ． 作者简介 温华兵 1 9 7 7～ ， 男 ， 副教授 ， 通讯地 址 2 1 2 0 0 3 江苏镇江市梦溪路 2号江苏科 技大学 能源与动力 工程学 院振动 噪声研究所。