增压器离心压气机气动噪声数值分析.pdf

第 2期 总第 2 0 5 期 2 0 1 3年 4月 车用发动机 VEH I CLE ENGI NE No ． 2 S e r i a 1 No ． 2 0 5 Apr ．2 01 3 增压器离心压气机气动噪声数值分析 刘 扬 ，张 文平 ，杜 炳鑫 ，明平剑 ，焦亚 飞 哈 尔滨 工程 大学动 力与能源工程 学院 ，黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 0 1 摘 要设计 了一种 离心式压 气机 ， 并建立 了三维几何模 型。通过 C F D软件进 行三 维非定 常数值模 拟 ， 预测压 气机 的流量特性和 气动特性 。在得 到流场信 息的基础上 ， 利 用宽频 噪声模 型预测 离心 式压气机近 场噪 声场并确定 主要噪声源位置， 最后结合 F W- H模型计算离心式压气机离散噪声分布。研究结果可为离心式压气机低噪声设计 和 结构优化提供参考 。 关键词 离心式压气机 ； 气动噪声 ；非定常流 ；流动分布 ； 流量特性 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 2 2 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 8 中图分类号 TK4 2 1 ． 6 文献标志码 B 文章编 号1 0 0 1 - 2 2 2 2 2 0 1 3 0 2 0 0 3 1 - 0 5 涡 轮增压 器是 柴 油 机 组 的 主要 组 成 部 分 ， 随着 柴油机技术的发展 ， 涡轮增压器的压 比和转速不断 提高 ， 涡轮增压器的气动噪声问题 日益凸显 ， 这也大 大提高了柴油机运行时的整体噪声 ， 其 中压气机噪 声决定了整台增压器噪声的大小。分析涡轮增压器 的噪声源， 研究增压器气动噪声的产生 机理与控制 方法 ， 具有十分重要的意义。 目前， 对于旋转机械气动噪声研究主要集 中在 风机和轴流式 压气机 ， 对 离心 式压气 机 的研究 较 少[ 1 ] 。方开翔 、 刘秋洪等_ 2 刮分别研究了轴流式和径 流式风机的气动噪声 ， 均采用声类 比法定性分析了 风机 的气动噪声频谱； 江国和_ 4 研究了离心式压气 机定常流场 ， 并预测近场的声场分布， 采用此种方法 对压气机内部的非定常流场进行计算存在一定 的缺 陷； 曹林 、 毛义军等L 5 预测 了压气机 内部 的压力脉 动特 性 ， 但 未 预 测远 场 的声 场规 律 ； C h o [ 7 采 用 二维 模型计算了风机的气动噪声 ， 忽 略了三维结构对气 动噪声的影响。本研究设计 了一种离心式压气机 ， 通过 C F D软件对三维非定常流场进行数值模拟 ， 预 测压 气机 的流量 特 性 和气 动特 性 ， 在 获 得 声 源 信息 后 预测 离心 式压 气机 的近 场和远 场声 场 。 1 离心式压气机设计 离心式压气机的设计 以 1 2 0 0 k w 柴油机为背 景 ， 采用一维通流计算得到压气机的基本参数 ， 然后 在此基础上进行叶片和蜗壳的计算[ 8 ] 。离心式压气 机设计 的初始数据 空气质量流量 G一1 ． 8 k g ／ s ； 压 气 机 压 比／ r 2； 环境 温度 T o 一2 9 3 K； 环 境压 力 P 。 一1 0 1 3 2 5 P a 。压气机 叶片采用前倾 后弯叶片 ， 叶型曲线选用二次抛物线 ， 后弯 曲线选取单 圆弧曲 线 。压气机 的蜗 壳为变截 面蜗壳 ， 横截 面 子午截 面 的形状为圆形， 扩压器的形式为无叶扩压器 ， 且 扩压器上下壁面平行 。设 计结束后 ， 最终得 到的压 气机基本参数见表 1 。 表 1 压气机基本参数 流量／ k gs - 1 1 ． 8 4 压 比 2 转 速／ r mi n 2 5 7 0 0 叶片数 目 全 长 1 6 叶轮进 口直径／ ram 2 4 0 叶轮轮毂直径／ ram 5 0 叶高／ ram 7 2 叶片后弯角／ 。 3 0 2 模型建 立及 流量特性预测 2 ． 1 压气机模型建立 采用 P r o ／ E软件按 照压气机基本 参数建立 了 压气机几何模型 。主要通流部分包括进气道 、 工作 轮、 无叶扩压器和蜗壳 。计算 区域分为三部分 进气 部分 包括进气道 、 工作轮部分 、 蜗壳部分 包括无 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 ～ 3 1 ；修回 日期2 0 1 3 - 0 3 3 0 作者简介 刘扬 1 9 8 9 一 ， 男 ， 硕士， 主要研究 方向为柴油机 涡轮增压器气动噪声 ； l i u y a n g 0 8 0 3 4 2 0 3 1 6 3 ． c o m。 通讯作者张文平 1 9 5 6 一 ， 男 ， 教授 ， 博 士， 主要研究方 向为计算流体动力声学 , z h a n g we n p i n g h r b e u ． e d u ． c n 。 2 0 1 3年 4月 刘 扬 ，等 增压器 离心压气 机气 动噪声数值分析 3 5 l 4 0 l 2 0 ∞ 1 0 0 蠢 。 6 o 40 2 0 4 结论 4 0 6 0 8 0 l o 0 l 2 0 频率／ k H z 图 1 3 压气机离散噪声频谱 a 在 F l u e n t 软件 中采用滑移网格模型 ， 预测离 心 式压 气机 流量 特 性 和额 定 工 况 下 的 非定 常流 场 ， 有 助 于对压 气机 内部 流场 的直 观理解 ； b 模拟压气机近场噪声 ， 可知离心式压气机的 最大声功率主要分布在工作叶轮， 为下一步离散 噪 声的预测提供依据； c 运用 F H 模型， 对压气机进 口1 I n处辐射 噪声进行计算， 该噪声主要 由宽频噪声和离散噪声 组成 ， 并且最大声压级集中在叶片通过频率处 ， 并与 理论值相吻合。 参考文献 [ 1 ] 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 ． [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 3 [ 8 ] [ 9 ] 方开翔 ， 李豪杰 ， 高 慧．基于 F l u e n t 6 ． 0的风机 流场 模拟与噪声顸估[ J ] ． 江苏科技 大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 2 4 42 47 ． Li u Qi u h o n g， Qi Da t o n g， Ma o Yi j u n ．Nu me r i c a l s i mu 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 I n s t i t u t e o f M e c h a n i c a l En g i n e e r i n g ， Pa r t C J o u r n a l o f Me c h a n i c a 1 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 8 ． 江 国和 ， 李涛涛． 基 于 F L UE N T 的涡轮 增压 器压 气机 流场模 拟与噪 声 分析 [ J ] ． 中国水 运， 2 0 1 1 ， l 1 7 7 8 8 O ． 曹 林 ， 祁 明旭 ， 马朝 臣． 基 于非定 常流场 的 离心 压 气 机 气动噪 声 分析 [ J ] ． 铁 道机 车 车辆 ， 2 0 1 1 3 1 3 3 0 33 4． 毛义军 ， 祁 大同 ， 刘秋 洪． 基 于非定 常流场 的 离心 风机 气动 噪声分 析[ J ] ． 西安 交通 大 学 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 9 9 98 9 9 9 3． Yo n g Ch o， Yo u n g J Mo o n ． Di s c r e t e No i s e P r e d i c t i o n o f Va r i a b l e Pi t c h Cr o s s - Fl o w F a n s b y Un s t e a d y Na v i _ e r S t o k e s C o mp u t a t i o n s [ J ] ．J o u r n a l o f F l u i d s E n g i ne er i ng， 2 00 3， 1 2 5 54 3 5 5 0． 张虹 ， 马朝 臣． 离心式压气机初步设计计算模 型及性 能仿真 [ J ] ． 北京理 工大学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 6 1 1 0 1 3 ． 杨 策， 王航 ， 马朝 臣． 高速 离心压 气机 的设计 与流 场数值计 算 [ J ] ． 工 程 热 物理 学报 ， 2 0 0 3 ， 2 4 2 2 3 4 2 36 ． Nu me r i c a l Ana l y s i s o f Ae r o d y na mi c No i s e f o r Tu r b o c ha r g e r Ce nt r i f u g a l Co mp r e s s o r LI U Ya n g，ZHANG We n p i n g ，DU B i n g x i n ，MI NG Pi n g j i a n，J I AO Ya f e i C o l l e g e o f Po we r a n d E n e r g y En g i n e e r i n g ，Ha r b i n E n g i n e e r i n g Un i v e r s i t y，Ha r b i n 1 5 0 0 0 1，Ch i n a Ab s t r a c t A c e n t r i f u g a l c o mp r e s s o r wa s d e s i g n e d a n d i t s 3 D mo d e l wa s e s t a b l i s h e d ．W i t h t h e CF D s o f t wa r e ，3 D u n s t e a d y n u me r i c a l s i m u l a t i o n wa s c a r r i e d o u t a n d t h e f l o w a n d a e r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f c o mp r e s s o r we r e p r e d i c t e d ．Th e n t h e n e a r - f i e l d n o i s e f i e l d o f c e n t r i f u g a l c o mp r e s s o r wa s p r e d i c t e d a n d t h e ma i n n o i s e s o u r c e wa s d e t e r mi n e d wi t h t h e b r o a d b a n d n o i s e mo d e 1 ．Fi n a l l y ，t h e d i s t r i b u t i o n o f d i s c r e t e n o i s e f o r t h e c e n t r i f u g a l c o mp r e s s o r wa s c a l c u l a t e d wi t h c o mb i n i n g t h e FW - H mo d e 1 ．Th e r e s u l t s c o u l d p r o v i d e t h e r e f e r e n c e f o r l o w- n o i s e d e s i g n a n d s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n o f c e n t r i f u g a l c o mp r e s s o r ． Ke y wo r d sc e n t r i f u g a l c o mp r e s s o r ；a e r o d y n a mi c n o i s e ；u n s t e a d y c h a r a c t e r i s t i c f l o w；f l o w d i s t r i b u t i o n；f l o w c h a r a c t e r i s t i c [ 编辑 潘丽丽]