装载机冷却风扇导流罩空气动力噪声分析及降噪方案.pdf

6 结束语 本文的论证过程 ，始终围绕着增加皮带轮中心 连线长度时， 其相 同转角尽可能大这一主题 。 本文结 论在实际应用中已得到验证。 参考文献 【 l 】成大先． 机械设计手册[ M ] ． 北京 化学工业出版社， 1 9 9 3 ． [ 2 ]唐焕文． 实用最优化[ M ] ． 大连 大连理工 大学 出版社 ， 2 00 0． [ 3 ]3 黎晓冬． 精通 c 编程【 M 】 ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 通信地址 山东临沂经济开发 区临工工业园 山东临工工程 机械有限公 司技术中心 2 7 6 0 2 3 收稿 日期 2 0 0 9 1 0 一 O 1 装载机冷却风扇导流罩空气动力噪声分析及降噪方案 焦国旺， 张建润， 蔺宏伟 ， 周幸福 东南大学机械工程学院 5 摘要 合理设计装载机冷却风扇导流罩的形状 ， 可以减少流场紊流， 降低噪声。 对装载机常见冷却 2 风扇导流罩进行了三维实体建模， 并对导流罩内的流场进行仿真分析和计算。在仿真和计算的基础上， 提 i 出了两种导流罩改进方案。根据理论计算， 改进设计后的导流罩能够有效地降低空气动力噪声辐射。 关键词 冷却风扇； 导流罩 ； 空气动力噪声； 声辐射； 仿真 装载机是一种用途十分广泛的工程机械 ，可以 用于散装物料的铲装 、 短途搬运 、 卸载 、 平整 ， 也可对 岩石 、 硬土等进行轻度 的铲掘工作。 然而装载机工作 时会发出巨大的噪声 ， 对周围环境造成污染。 空气动 力噪声是装载机降噪中的重要方面，合理设计风扇 导流罩可以降低空气动力噪声辐射。 空气动力噪声主要是由于高速气流 、不稳定气 流以及气流与物体相互作用产生的。 一般说来 ， 冷却 风扇空气动力噪声声强要高于机械性噪声， 其中， 风 扇导流罩的设计合理与否对整机的噪声影 响很大。 本文对某型号装载机导流罩内的流场进行仿真分析 和计算 ，在此基础上提 出了两种导流罩的合理设计 方法。 l 空气动力噪声 空气动力噪声的声源一般可以分为3 类单极 子声源 、 偶极子声源和四极子声源。此外 ， 也可将空 气动力噪声分为以下几种类型喷射噪声、涡流噪 声 、 旋转噪声 、 激波噪声等 ， 它们的声功率可在分析 出它们的声源类型后， 进行相应计算。 为 了对罩 壳 噪声 进行 分析 ，在这 里 引 出由 L i g h t h i l l 在研究湍流噪声 时所提 出的一般湍流噪声 声功率的速度八次方定律 2 8 r 、2 ． ， ，_ 1 ’ P 0 C 0 式中 K 常数 ， 在不要求精确计算的场合 ， 可取 1 0 ； 流体密度； 媒质静态密度 ； c 声在流体中的传播速度 ； 流体速度 ； 声源的特征长度 。 需要明确的是 ，一般的涡流噪声属于偶极子声 源。 当流体中有障碍物存在时， 流体与物体产生的不 稳定 的反作用力形成偶极子源。偶极子源可以看作 是相位差 1 8 0 o的两个单极子形成 的， 指向性呈“ 8 ” 字型， 如图 1 所示 。 偶极子声源的声功率为 W K D2 K p 。 D 2 V 3 2 作者简介 焦国旺 1 9 8 4 一 ， 男， 河北沧州人， 在读硕士， 研究方向 振动和噪声控制。 4 6--- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 根据冷却要求 ，该型号装载机冷却风扇在导流 罩进气端气流的速度约为 2 O ． 2 r n ／ s ， 出气端气流的速 度约为 5 ． 0 5 m ／ s 。 在 C F X软件中进行仿真分析 ， 得到 导流罩 内部气流的流场分布如图 3所示。 如下 K V 1 0 ， p 。 1 ． 2 3 k g ／ m 3 , c 3 4 0 m ／ s ， 根据流场仿 真计算结果得涡流区的平均速度约为 5 ． 7 2 4 rr d s ， 计算 出每个涡流区的声功率值为 -- 4 7- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m W 1 0 - 4 1 ．2 3o． 1 2 4 5 1 ．711 0 一 W 3 4 0 声功率级 可 由下式确定 1 0 1 g d B 3 式中 声源声功率值 ； ， 参考声功率值 ， 对于空气媒介 W ．i 1 0 W 计算可得涡流区的声功率级为 L 1 0 l g 1 0 3 2 ． 3 3 d B 这一结果与实际测试的噪声值相差甚远 ，因此 从计算上直观地证明了每个涡流区已不是简单的偶 极子声源 ，这 4个涡流 区只可按照一般的湍流噪声 公式去计算 ， 从图 3中还可以看 出， 这 4个涡流区均 是由进气流遇到散热器时发生 回流 ，具有一定速度 的回流与较高速度 的进气流相遇而形成的，所 以在 分析时， 可认为这 4个涡流声源是完全相同的， 即有 相同的声功率 、 声压和相位 ， 于是根据式 1 计算涡 流 区的声功 率值 ，各参数 取值如 下 P P 1 ． 2 3 k g ／ m3 , Kv 1 0 4 ，V 5 ． 7 2 4 m ／ s ， c 3 4 0 n 1 ] s则 W 1 0 一 堕 涡流区的声功率级为 L 1 0 1 g 1 0 9 8 ． 1 d B 6． 4 6l 0 W 该值与实测值较为接近。 按 自由声场计算 ， 在 自由声场 中， 可以算出每个 涡流声源的声压级为 L P 8 8 ． 1 d B 声压级很大 ， 罩壳急需改进以降低噪声。 3 冷却风扇导流罩的降噪设计 3 ． 1 降噪方案 1 冷却风扇导流罩的固定和装配部分 ， 不得改动。 运用 P r o ／ E的混合功能进行造型，采用流线型设计 ， 得到方案 1 的导流罩实体如图 5所示。 一 48一 图 5方案 1导流罩实体模型 与前述方法一致 ，将导流罩的实体模 型导人 A N S Y S的 C F X模块中 ， 依据进 口气流 、 出口气流的 速度设置相应的边界条件 ， 做出仿真分析， 得到方案 1 导流罩内部的气流流场分布如图 6所示。 图 6方案 1 罩壳 内部流场仿真图 图 6表明，在罩体的 4个棱边依然有少许 的回 流 ， 可 以做这样的解释 由于回流的存在 ， 依然会有 涡流区的产生 ， 只是 由于回流很少 ， 因此等价的涡流 区即与每条棱边处的 3个平面 A， B ， C 相切的球域 变得很小 ， 以至在图上没有显示。在 C A D软件中做 出这 4 个球域， 并测量得其直径约为2 m m。 由流场的仿真计算结果可得 ，在 4个拐角处的 流速约为 1 0 m ／ s ， 于是根据式 1 计算出每个涡流 区的声功率值为 R 2 1 1 0 ～ 1 ．4 5 1 0 W j斗U 则涡流区的声功率级为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 01 g 1 0 81 ． 6 d B 每个涡流声源的声压级为 1 l 一1 0 81 ． 61 0 71 ． 6 dB 可见， 根据方案 1 优化后的罩壳， 每个涡流源的 声压级得到了明显地降低， 噪声得到了明显的控制。 3 ． 2降噪方 案 2 从方案 1 的流场分析 ， 可以很明显地看到 ， 在风 圈至罩体的过渡区域 的 4条侧棱处 ，在截 面积较小 的地方 ， 气流的速度相对较小 ， 那么可以猜想 在将 罩体与风圈之间做成缓慢过 渡的曲线 的基础上 ， 减 小截面积也可以取得较好的降噪效果。基于这样的 构思 ， 运用 P r o ／ E的混合功能做混合处理 ， 得到图 7 所示的实体造型。 图 7 方案 2 导流罩实体模型 通过仿真分析得到方案 2导流罩 内部气流的流 场分布如图 8所示。 图8 方案 2罩壳内部流场仿真图 仿照前面的方法 ，在 C A D软件中做 出 4个球 域 ， 并测得其直径约为 2 ． 5 m m。 由流场仿真计算结果可得 ，在 4个拐角处 的流 速约为 v 2 1 0 m ／ s ， 于是根据式 1 计算出每个涡流区 的声功率值为 W2 1 0 8 4 1 0 w 则涡流区的声功率级为 ， J 1 0l g 1 0 8 2 ． 6 4 dB 每个涡流声源的声压级约为 Lp 2 Lw 2 -1 0 8 2． 6 4 1 0 7 2． 6 4 d B 可见 ， 根据方案 2 优化后的罩壳 ， 每个涡流源的 声压级 也得到 了明显地降低 ， 噪声得 到 了明显 的 控制 。 4 结束语 对装载机冷却风扇导流罩进行 了三维 实体 建 模 ， 通过有限元软件分析了导流罩 内的流场分布。根 据流场分析的结果，原始罩壳的 4个拐角处有着明 显的涡流区 ， 即导流罩的空气动力噪声源。 计算表明 这 4个涡流区并非简单 的偶极子性质 ，而是属于一 般的湍流噪声 ，在此基础上提出了两种导流罩的改 进设计方法 ，理论验证 了改进方案可以有效地降低 空气动力噪声辐射 。 参考文献 [ 1 】靳晓雄， 胡子谷． 工 程机械噪声控 制学【 M】 ． 上海 同济大 学 出版社 ， 1 9 9 7 ． 『 2 ] 马大猷． 噪声控制学【 MJ． 北京 科学出版社 ， 1 9 8 7 ． 【 3 ]G e r a l d C ， L a u c h l e ， J o h n R ． A c t i v e c o n t r o l o f a x i a l - fl o w f a n n o i s e 【 J 】 ． A p p l i e d A c o u s t i c s ， 2 0 0 6 ， 1 0 1 1 1 3 2 7 - 1 3 2 8 ． [ 4 ] A Ma a l o u m ， S K o u i d r i ， F B a k i r ,e t l 1 ． E ff e c t o f i n l e t d u c t c o n t o u r a n d l a c k t h e r e o f o n t h e n o i s e g e n e r a t e d o f a n a x i a l f l o w f a n [ J 1 ． A p p l i e d A c o u s t i c s ， 2 0 0 3 6 4 9 9 9 - 1 0 1 0 ． 【 5 ]C L e e ． A P r e d i c t i o n Mo d e l f o r t h e Vo r t e x S h e d d i n g No i s e f r o m t h e Wa k e o f a ．n A i r f o i l o r A x i al F l o w F an B l a d e s f J ] ． J o u r n a l o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n ， 1 9 9 3 ， 1 6 4 2 3 2 7 3 3 6 ． [ 6 】刘秋洪， 祁大同， 曹淑珍． 风机降噪研究的现状与分析 流体机械 ， 2 0 0 1 ， 2 9 2 2 9 3 1 ． 通 信地 址 南京 市 东 南大 学 九龙 湖校 区橘 园 1舍 1 2 8室 2 1 1 1 8 9 收稿日期 2 0 0 9 0 9 2 9 - - - 4 9-- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m