风扇防护网栅栏线材的声学产生机理及潜在优化技术的数值与实验研究

《International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power》：Numerical and Experimental Investigations of the Sound Generation and Possible Optimization Techniques of Wires for Fan Guard Grilles

　　

针对针对低自噪声优化的现代轴流风扇，安装在其下游的防护网栅所产生的额外噪声排放可能成为主要声源之一。在本研究中，总声功率级增加了高达6 dB。基于使用圆形线材的风洞装置的窄带声学测量和数值Lattice-Boltzmann模拟，研究人员观察到线材后方的周期性流动分离（von Kármán vortex street）导致噪声频谱中出现明显的峰。这发生在与在可比流场条件下由轴流风扇观察到的网栅诱导噪声增加相对应的频率范围内。通过检查各种线材几何形状，研究发现破坏线材纵向的von Kármán vortex street并降低流动分离的均匀性可以显著减少声学产生。因此，研究人员为一款现代低噪声轴流风扇制造了包含最有前景结构的防护网栅原型，并展示了该风扇的对比实验结果。

在现代轴流风扇的应用中，为防止操作人员接触旋转部件，通常会在风扇的吸力侧和压力侧安装防护网栅。对于经过低自噪声优化的现代风机而言，由网栅诱导的气动噪声往往会主导整体声功率级。尽管土木工程等领域已有通过改变圆柱体结构来抑制涡激振动的方法，但对于风扇防护网栅中通常使用的细长金属线材而言，多孔材料或螺旋结构等方法的工业可行性与可制造性极为受限。为了解决这一工程难题并降低风机的气动声学排放，研究人员开展了这项研究，旨在探究网栅线材的噪声产生机理，并开发一种适用于工业大规模生产且能有效降低其声学排放的优化方法。该研究的方法与成果发表在《International Journal of Turbomachinery, Propulsion and Power》上，对于提升现代热泵系统及通风设备的声学性能具有重要的工程应用意义。

研究人员采用了实验测量与数值模拟相结合的技术方法开展了本研究。实验方面，研究人员设计并利用增材制造技术搭建了专用声学风洞（测试样本为直径1至6 mm的线材阵列），并在ZIEHL-ABEGG消声测试设施内依据DIN EN ISO 3745标准进行声功率测量；数值方面，研究人员采用基于Lattice-Boltzmann Method (LBM) 的商业求解器PowerFLOW 5.5a，结合大涡模拟（LES）的湍流建模策略对风洞及线材流场进行了瞬态、弱可压缩气动声学仿真，并基于实验验证后的模型探索了线材表面几何结构优化。

1. Introduction
研究背景部分指出，当轴流风扇配备由同心圆线材构成的下游防护网栅时，其声学排放显著增加。在n = 770 rpm的转速下，配备网栅导致特定压力侧总声功率级L_WA6spec增加约6-7 dB，特别是在高体积流量条件下。通过频谱分析，研究发现约f = 900 Hz处存在一个明显的声学突起，且该频率特征随体积流量的增加向高频移动。该现象与流体横掠圆柱体（即网栅线材的简化模型）时产生的周期性流动分离卡门涡街相符。基于Strouhal数 Sr = 0.21、来流速度v_∞及线径D_wire的关系，计算得出的涡脱频率约为600–900 Hz，与实验观测到的突起频段吻合。

2. Experimental Investigation
实验研究中通过3D打印搭建了风洞，并在中心区域安装了9根等距排列的圆线材。结果显示，在D_wire = 2.5 mm的线材阵列实验中，整体压力侧声功率级L_W6随来流速度v_∞的增加而显著上升。在窄带频谱中，所有流速下均可观测到明显的谱突起，其频率与幅值随流速增大而增加，证实了卡门涡街致声的机理。将频谱以Strouhal数 (Sr) 表示时，该谱突起集中出现在Sr ≈ 0.24–0.25。当考虑线材阵列造成的堵塞效应修正后，突起对应Sr ≈ 0.185–0.195，与理论预测值更为一致。

3. Numerical Investigation
数值研究利用LBM方法对简化风洞模型进行了模拟。仿真得出，对于D_wire = 2.5 mm的单根圆线，其声功率谱突起稳定出现于Sr ≈ 0.21处，与理论值及实验数据高度吻合，验证了数值仿真方法的准确性。通过对流场涡量幅值的可视化分析，显示出线材后方形成了清晰的卡门涡街。沿线材轴向的水平切面显示，涡脱呈现高度均匀且连贯的展向分离特性，这正是诱发强烈窄带噪声的根源。

4. Noise Reduction through Surface Modification of Wires
该部分探讨了通过线材表面修饰进行降噪的优化技术。仿真与实验测试了带有离散干扰体及3D打印粗糙表面结构的树脂线材模型。结果表明，沿线材纵向破坏涡街连贯性可使涡脱频率处的声功率降低10至30 dB；实验测得干扰元素亦使基频下降10-20 dB。针对工业制造限制，研究人员开发了钢材表面涂层附着沙粒的粗糙化处理方案。声学测试证实，经表面处理后的钢线在各项流速下均显著降低了总声功率级L_W6，并大幅削弱了涡脱频率处的声学峰值。

5. Optimization of a Real Fan Guard Grille
在真实风机应用中，研究将最优表面处理技术应用于直径630 mm轴流风扇的下游完整防护网栅。通过在涂层湿润状态时随机分布颗粒尺寸为0.6–1.2 mm的沙粒，并针对性地处理网栅外缘区域，实验发现，在比直径δ ≤ 1.4的低流量工况下，网栅的特定A计权总声功率级L_WA6spec降低了高达1.5 dB。频谱分析进一步证实，该表面修饰有效抑制了700–1000 Hz频段内由涡街诱导的声学突起。但需注意，该声学改善伴随微小气动阻力增加，导致最大静压升略有降低。

6. Conclusions
研究结论表明，下游防护网栅造成的周期性涡流脱落是现代低噪声轴流风机的重要气动声学污染源，会导致总声功率级增加高达7 dB。实验与数值仿真一致揭示，通过在线材表面引入粗糙干扰元素以破坏涡流脱落沿纵向的空间连贯性，可大幅降低声学排放。采用在钢线涂层附着细沙粒等简单的工业表面修饰方法，能够有效抑制涡脱频率下的声学峰值，并在真实风机全尺寸实验中得到验证。尽管该方法会带来可测量的气动阻力增加，但为在噪声降低与气动性能之间寻求平衡提供了切实可行的新方向，后续研究需进一步探索该技术在长期耐用性与大规模工业生产中的经济效益。