第 1 章   緒論

1.1   研究背景及意義
軸流風機作為工業(yè)生產和日常生活中的流體（旋轉）機械，在國民經濟中起到關鍵的作用，并應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備的散熱等[1-5]。目前，我國各類風機的使用總數達到 2100 萬臺，其中在礦業(yè)資源開發(fā)上風機用電量占采礦用電的 30%，鋼鐵工業(yè)的風機用電量占生產用電的 20%，交通運輸業(yè)中汽車發(fā)動機冷卻風扇的消耗功率占發(fā)動機輸出功率的 5%～12%[6]。隨著我國經濟的高速發(fā)展和經濟規(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，軸流風機的功耗基數大，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)化和現代化的今天，噪聲已經成為影響人們正常學習、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，而且會誘導各種疾病的產生。低壓軸流風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機的工作效率和降低其噪聲[7-10]。軸流風扇的噪聲主要可歸結一下幾大類：氣動噪聲、氣固耦合噪聲、機械結構振動噪聲、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，利用流體力學和空氣動力學原理對風扇的主要工作部件進行有效設計，控制邊界層以及內部渦流的復雜結構，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。相比較而言，前者技術難度較大，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扇的噪聲問題，降噪效果不顯著。 仿生學在許多科學研究和技術工程領域都取得了巨大的成就。隨著現代科學技術的發(fā)展和工程實際的需要，在眾多的工程技術領域也相應地開展了對口的技術仿生研究[12]。因此，在軸流風扇的設計和優(yōu)化過程中，運用仿生學原理，尋找新技術、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   軸流風機研究現狀
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方向傾斜稱為“前彎”，逆時針方向旋轉傾斜為“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機穩(wěn)定工作區(qū)域[14-18]。 上海交通大學李楊[19]對低壓軸流風機周向彎曲葉內的流動特征進行了詳細的實驗和數值模擬研究，通過遺傳算法和人工神經網絡結合的優(yōu)化設計方法，對 T35 型低壓軸流風扇葉片進行了優(yōu)化設計，如圖 1.2 所示；研究發(fā)現，周向前彎 6.1°優(yōu)化葉輪與原型葉輪相比在氣動和聲學性能上都有明顯的提高，全壓系數提高了 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]對低壓軸流風機研究發(fā)現，氣動和聲學實驗表明前彎、前掠葉片提高了風扇的體積流率和全壓；相比原型風扇，平均聲壓值降低了 7dB。如圖1.3 所示，法國學者 Hurault[21]等通過實驗和數值模擬相結合的方法分析發(fā)現，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   軸流風機葉片仿生設計

2.1   風機葉片仿生設計學術思想 
大自然界中，生物經過億萬年的進化，形成了具有與環(huán)境相適應的軀體特征。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的優(yōu)良構形以減小魚鰭在流動過程中所受到的阻力。國內外研究者關注了魚鰭的水動力學性能，通過應用流場可視化技術分析魚鰭的擺動產生的尾渦結構[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鰭條和柔性皮膚連接而成，這種構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性和協調性。 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用于軸流風機葉片的設計，可能會獲得更加優(yōu)良的減阻降噪性能。 
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2.2   仿生風機葉片正交試驗方案

試驗優(yōu)化設計是在最優(yōu)化思想的指導下，通過廣義試驗進行最優(yōu)設計的一種優(yōu)化方法，也是應用數學的一個新興分支[92]。它從不同的優(yōu)良性出發(fā)，合理的設計試驗方案，有效控制試驗干擾，科學處理試驗數據，全面進行優(yōu)化分析，直接實現優(yōu)化目標，已經成了現代優(yōu)化技術的一個重要方面。 正交試驗設計是研究多因素、多水平的一種設計方法。正交試驗是根據正交性從全面試驗中挑選出部分能反應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。正交試驗設計的基本程序是設計試驗方案和處理試驗結果。主要步驟為[92]：明確實驗目的、確定試驗指標、確定需要考察的因素及水平、選用合適的正交表、表頭設計。 本試驗的目的是為了探究葉片壓力面的剛柔相間結構對風機氣動和聲學性能的影響，并獲得在設計試驗空間內的最優(yōu)解。參考本實驗室前期對軸流風機的研究，并綜合考慮可行性和工程技術等因素，剛柔相間結構主要從肋條形態(tài)結構、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  仿生風機葉片氣動性能試驗 .... 21 
3.1  風機及其分類 ..... 21 
3.2  軸流風機主要氣動參數 ......... 22 
3.3  氣動性能試驗 ...... 25
3.4  本章小結 .... 35 
第 4 章  仿生風機葉片氣動噪聲測試試驗 ...... 37 
4.1  氣動噪聲源 ........ 37 
4.2  軸流風機噪聲 ...... 38
4.3軸流風機噪聲的主要物理量 ....... 40 
4.4 軸流風機噪聲的評價 ....... 43 
4.5 氣動噪聲試驗 ....... 44
4.6 試驗結果分析 ....... 49
4.7 本章小結 .... 61 
第 5 章  仿生風機葉片模型數值模擬 .... 63 
5.1  CFD 前處理 ........ 63 
5.1.1  計算區(qū)域及網格劃分 ....... 63 
5.1.2  數值模擬方法 ....... 65 
5.1.3  邊界條件和求解設置 ....... 66 
5.2  模擬結果分析 ...... 68
5.3  機理分析 .... 71 
5.4  本章小結 .... 72 

第 5 章   仿生風機葉片模型數值模擬

本章應用 Fluent 軟件對仿生風機葉片的氣動性能進行數值模擬，風機葉片表面柔性材料對邊界層流場結構的影響通過數值模擬的手段準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，重點考察壁面結構對于風機內流場的影響機制。

5.1   CFD 前處理 
風機的具體尺寸參數見第 2 章，風機數值模擬風洞模型如圖 5.1 所示，整個風洞模型分為四個區(qū)域，分別為：入口段、葉片轉動、葉頂間隙流動和出口段區(qū)域。為了簡化模型和提高網格劃分的質量，忽略風機支架對流場的影響。 網格的劃分和選擇是數值分析的關鍵環(huán)節(jié)，同時也是保證獲得理想結果的關鍵因素之一。構建合理、適合模型要求和相對簡單的網格不僅能有效的提高工作效率，同時能加快計算的收斂。 為了保證網格對仿生風機葉片模型表面肋條結構的適應性，采用非結構四面體網格對計算區(qū)域進行離散。風機葉片表面進行局部加密，以保證可以更好的捕捉風機內部的流動情況和葉片表面的流場分布。網格劃分采用 Hypermesh 軟件，相比其他網格劃分軟件，Hypermesh 軟件對 CAD 模型有良好的適應性、對幾何模型的前處理功能比較強大、導入復雜的幾何模型不容易失真。 網格的疏密在一定程度上決定了求解結果的準確性，因此在求解之前，要對計算域進行網格無關性分析。對于圖 5.1 的計算模型來說，模擬結果的主要影響區(qū)域為葉輪段網格的疏密。如圖 5.2 所示，本次模擬采用的是原型風機在 2320rpm 轉速下不同網格數和流量對應關系圖，隨著網格數量的增加，風機出口流量達到一定值之后趨于穩(wěn)定，且同試驗結果較為吻合，可以作為本次分析的網格劃分依據。 
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結論

（1）分析了基于魚鰭形態(tài)及材料特性的剛柔相間結構表面用于風機葉片流場的可行性；采用高精度的 3D 打印技術，制備了風機葉片剛性表面模型，并保證了表面肋條結構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 全自動風量及壓力測量試驗風洞對仿生葉片風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機，降幅約在 2%～4%；在工作電壓為 7.5V 和 9.5V，同原型風機相比，大部分仿生葉片風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測試儀器對仿生風機和原型風機在不同工作電壓下的 A 記權聲壓級頻譜和總噪聲值進行了測試。通過對仿生風機和原型風機的 1/3倍頻程頻譜圖對比分析發(fā)現，電壓為 5.5V 時，風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，，在低頻段出現了幾處離散噪聲點，仿生風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 聲級較原型風機有明顯的降低。由此可知，剛柔相間表面對渦流的產生和脫落均有抑制作用。
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參考文獻(略)
 

本文編號：40827