轴流风机降噪技术的仿生学研究
摘要
风机是叶轮机械机的一种,是工业和生活中不可缺少的降温设施,其各种噪声既造成环境污染,又降低机械效率,给风机行业的发展造成了巨大的阻碍。本文在研究典型动物飞行无声机理的基础上,利用线切割技术,对风机模型试件边缘进行了非光滑处理,形成了各种锯齿形态。然后,对各种非光滑试件进行了噪声、风量和效率试验,试验表明,经过处理后的风机试件综合性能提高,且齿数是影响风机噪声和效率的第一大因素。
随着风机技术的飞速发展,越来越多的技术处理手段应用到生产实践中,为了揭示仿生非光滑叶片对风机的作用机理,本论文应用试验优化技术对风机叶片形态进行优化,通过风洞测试,获得了光滑与非光滑风机叶片模型对风机噪声对比的频谱图、风量对比图、效率曲线图等重要参数,从实践上揭示非光滑形态有利于防止紊流附面层在叶片表面形成脱体涡,对于探索风机降噪机理有一定的借鉴意义。
本论文对典型动物无声飞行机理进行认真分析和研究,得出猫头鹰羽毛具有优异的消音性能。应用仿生改形技术,模仿猫头鹰羽翼的结构形状,设计并制作具有非光滑表面形态的风机叶片,根据风机叶片和气体的实际作用过程,并结合仿生非光滑锯齿形态的降噪机理,制造出仿生风机实型,通过风洞试验,探索非光滑表面形态的降噪规律以及影响声压级、风量和效率的主次因素。对非光滑叶片与光滑叶片进行风洞试验,试验表明:非光滑表面形态风机与光滑表面形态风机相比,在其他工况条件相同的情况下,在高转速范围内,非光滑表面形态风机所产生的噪声比光滑表面形态的风机要小,通过极差分析得知,齿数是影响风机噪声的主要因素。
本论文的研究对于进一步将仿生非光滑形态应用于其他叶轮机械,从而降低涡流噪音奠定了基础,具有一定的实际参考价值。
Under the direction of bionic Fluid idea ,depend on the analysisand the summary of traditional fan’s reducing noise technology,a newmethod is put forward-bionic reducing noise technology,and is used tocontrol the noise specification when design an axial flow fan as wellas to distinguish the main factor of noise generation.
The method is based on the theory of birds’quiet flying,add thesawtooth on the vane’s dege and make some adaptation ,apply on reducingnoise technology of axial flow fan,to some degree we can accept theeffect.
First analyse related data,from the date we can find the primereason of night owl’s quiet flying------micro sawtooth of the backedge’wing. Through optimal design,we can analyse and draw therelation between the rate of the reducing noise and the factors.
The method is not dependent on large-sized softwareof the numericalsimulation method,and it meet the needs of controlling the noise inengineering.And it also avoids the difficuty of too much computationwork and too complex programming in computed aerodynamicacoustics(CCA)method.It is a good balance between the trueness and thetechnicality. Because the limitation of technical level,it is notpractical to develop the bionic low noise fan with current specializedknowledge and experiment condition.
. This thesis includes 7 chapters. Chapter 1 is introduction, whichmainly introduces the damage of noise and the general situation ofbionic fluid mechanics, and explains the aim and significance of thisresearch work. Chapter 2 introduces relevance theory of flowfan.Chapter 3 search noise elimination mechanism of the typical animal,and design model of bionic unsmooth fan. Chapter 4 make experiment tobionic unsmooth fan and select the best. Chapter 5 analyses thecharacter of phonics wind rate and efficiency , obtained curves such
随着风机技术的飞速发展,越来越多的技术处理手段应用到生产实践中,为了揭示仿生非光滑叶片对风机的作用机理,本论文应用试验优化技术对风机叶片形态进行优化,通过风洞测试,获得了光滑与非光滑风机叶片模型对风机噪声对比的频谱图、风量对比图、效率曲线图等重要参数,从实践上揭示非光滑形态有利于防止紊流附面层在叶片表面形成脱体涡,对于探索风机降噪机理有一定的借鉴意义。
本论文对典型动物无声飞行机理进行认真分析和研究,得出猫头鹰羽毛具有优异的消音性能。应用仿生改形技术,模仿猫头鹰羽翼的结构形状,设计并制作具有非光滑表面形态的风机叶片,根据风机叶片和气体的实际作用过程,并结合仿生非光滑锯齿形态的降噪机理,制造出仿生风机实型,通过风洞试验,探索非光滑表面形态的降噪规律以及影响声压级、风量和效率的主次因素。对非光滑叶片与光滑叶片进行风洞试验,试验表明:非光滑表面形态风机与光滑表面形态风机相比,在其他工况条件相同的情况下,在高转速范围内,非光滑表面形态风机所产生的噪声比光滑表面形态的风机要小,通过极差分析得知,齿数是影响风机噪声的主要因素。
本论文的研究对于进一步将仿生非光滑形态应用于其他叶轮机械,从而降低涡流噪音奠定了基础,具有一定的实际参考价值。
Under the direction of bionic Fluid idea ,depend on the analysisand the summary of traditional fan’s reducing noise technology,a newmethod is put forward-bionic reducing noise technology,and is used tocontrol the noise specification when design an axial flow fan as wellas to distinguish the main factor of noise generation.
The method is based on the theory of birds’quiet flying,add thesawtooth on the vane’s dege and make some adaptation ,apply on reducingnoise technology of axial flow fan,to some degree we can accept theeffect.
First analyse related data,from the date we can find the primereason of night owl’s quiet flying------micro sawtooth of the backedge’wing. Through optimal design,we can analyse and draw therelation between the rate of the reducing noise and the factors.
The method is not dependent on large-sized softwareof the numericalsimulation method,and it meet the needs of controlling the noise inengineering.And it also avoids the difficuty of too much computationwork and too complex programming in computed aerodynamicacoustics(CCA)method.It is a good balance between the trueness and thetechnicality. Because the limitation of technical level,it is notpractical to develop the bionic low noise fan with current specializedknowledge and experiment condition.
. This thesis includes 7 chapters. Chapter 1 is introduction, whichmainly introduces the damage of noise and the general situation ofbionic fluid mechanics, and explains the aim and significance of thisresearch work. Chapter 2 introduces relevance theory of flowfan.Chapter 3 search noise elimination mechanism of the typical animal,and design model of bionic unsmooth fan. Chapter 4 make experiment tobionic unsmooth fan and select the best. Chapter 5 analyses thecharacter of phonics wind rate and efficiency , obtained curves such
引文
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2. 钟芳源, 陆桂林. 叶片机械(风机和压气机) 气动声学译文集. 北京: 机械工业出版社, 1987
3. 黎明.灭鼠能手猫头鹰. 绿化与生活, 1996
4. 平生.噪音污染.国外科技动态.1994 年02 期
5. 郭静男、郭秀兰、陈光华等. 中华人民共和国国家标准GB3096-93 城市区域环境噪声标准. 油气田环境保护.1994
6. 翁梓华. 黄太平.扑翼飞行的高升力机理分析.机电技术,2003
7. 喻俊志. 陈尔奎. 王硕. 谭民.仿生机器鱼研究的进展与分析.控制理论与应用,2003
8. 孙茂. 吴江浩.微型飞行器的仿生流体力学——昆虫前飞时的气动力和能耗.航空学报2002 年05 期
9. 刘伯林.轴流风机噪声预测与降噪研究(硕士学位论文).西南交通大学.2003
10. 曹继和. 卡门涡街的成因及涡街流量计的应用前景. 计量技术. 1997
11. 刘秋洪.祁大同.曹淑珍.风机降噪研究的现状与分析.FLUID MACHINERY.2001
12. 伍先俊.李志明. 风机叶片噪声机理及降噪.风机技2001 年第4 期
13. 伍先俊.李志明.贯流风机气动噪声机理及降噪机理研究.风机技术2002 年第3 期
14. 刘极峰.杨小兰.宗学文.风机的噪声与降噪研究.河南机电高等专科学校学报.1999
15. 孙传伟,陆洋,高正.锯齿状桨尖旋翼悬停气动特性试验研究. 空气动力学学报.2001
16. 任露泉. 试验优化设计与分析. 长春:吉林科学技术出版社,2001
17. 居鸿宾.钟芳源.沈孟育.涡、声干扰研究的某些进展.力学进展.第27 卷第3 期1997
18. 居鸿宾.沈孟育.涡、声干扰数值模拟中的差分方法. 力学与实践.1997 05
19. 周瑞兴.上官云信.郗忠祥.于欣芝夏玉顺.王宗栋.李建英.薛永立.航行器部件流体动力外形仿生初探.实验力学.1998
20. 梁锡.吴海.轴流风机的噪声及降噪. 流体机械.1999 年1 月
21. SharlandJJ.Sourceofnoiseinaxialflowfans.JournalofSoundandVibration,1964,1 1:302～32
22. 刘波,王强.分流机匣对风扇/压气机性能影响的计算比较航空动力学报. 2001 年1 月第16 卷第1 期.
23. 王育生. 钟芳源.高强度、低尺度紊流进气条件下低速轴流风机的噪声研究.哈尔滨工程大学学报.1996 03
24. 陈剑鸣.杨志翔.轴流风机叶片表面紊流边界层解.昆明理工大学学报. 1997 年6 月第22 卷第3 期
25. 欧阳华.钟芳源.叶轮机械气动噪声及周向前弯动叶降噪技术的研究. 风机技术.2002.05
26. 吕文灿. 采用附加导叶的轴流式风机气动噪声研究.华中理工大学学报1995 S1
27. 王振东. 离心风机噪声频谱特性分析.林业劳动安全.2002.05
28. 郑加强. 轴流风机出口旋流研究. 南京林业大学学报.1994.04
29. 王峡.仿生设计与造型形态.合肥联合大学学报.2001.03
30. 雅秋. 猫头鹰的无声飞行给航空器技术带来启发.新浪科技.2004 年12.29
31. LiangXizhi,Wuhai.ExperimentalInvestigationsofCoolingFanforAutomotive Engine.InternationalSymposiumonFluidMachineryandFluidEngineering,Sept.9 ～12,1996,bejing,Chian
32. LonghouseRE.NoiseMechanismSeparationandDesignConsiderationsforLow TipSpeedAxialFlowFans.Jour.ofSoundandVibration,1994;48(4):274～461
33. LonghouseRE.ControlofTip-VortexNoiseofAxialFlowFansbyRotatingShrouds. Jour.ofSoundandVibration,1978;58(2):201～214
34. MirkoCudina.NoiseGeneratefdbyaVane-AxialFanwithInletGuideVanes.Noise Con-trolEngineering.1992;39(1):2～30
35. Tam C K W , Ahuja K K, Jones III R R. Screech tones from free and ducted supersonic jets. A IAA J , 1994 , 32 (5) : 917～922
36. Tam C K W. Stochastic model theory of broadband shock associated noise from supersonic jets. J Sound & V ib , 1987 , 116(2) : 265 ～302
37. Tam C K W. Broadband shock associated noise of moderately imperfectly expanded supersonic jets. J Sound &V ib , 1990 ,140 (1) : 55 ～71
38. Tam C K W. Broadband shock associated noise from supersonic jets measured by a ground observer. A IAA J , 1992 , 30 (10)
2. 钟芳源, 陆桂林. 叶片机械(风机和压气机) 气动声学译文集. 北京: 机械工业出版社, 1987
3. 黎明.灭鼠能手猫头鹰. 绿化与生活, 1996
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14. 刘极峰.杨小兰.宗学文.风机的噪声与降噪研究.河南机电高等专科学校学报.1999
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27. 王振东. 离心风机噪声频谱特性分析.林业劳动安全.2002.05
28. 郑加强. 轴流风机出口旋流研究. 南京林业大学学报.1994.04
29. 王峡.仿生设计与造型形态.合肥联合大学学报.2001.03
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33. LonghouseRE.ControlofTip-VortexNoiseofAxialFlowFansbyRotatingShrouds. Jour.ofSoundandVibration,1978;58(2):201～214
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