軸流風機流動損失及渦流噪聲仿生控制關鍵問題研究

《軸流風機流動損失及渦流噪聲仿生控制關鍵問題研究》是依託吉林大學，由王晶擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：軸流風機流動損失及渦流噪聲仿生控制關鍵問題研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王晶
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

軸流風機由氣流黏性引起的摩擦損失、附面層分離引起的渦流損失以及渦流噪聲通過傳統方式難以得到有效控制。本項目獲取高游速魚類魚鰭表面形貌參數與魚鰭周圍流場組織結構及相關湍流參數的關係，以此作為依據設計軸流風機仿生葉片表面，通過試驗及數值模擬研究其對軸流風機氣動性能及聲學性能的影響。通過研究葉片表面近壁區低速條帶的展向空間尺度、壁面流向與展向速度脈動的幅值、脈動頻率、湍動能及湍流強度等參數，分析改進前後葉片表面邊界層結構的時空演化過程的變化，揭示仿生表面對軸流風機葉片氣/固界面流體的微觀控制機制及對邊界層噪聲的抑制機理。本項目的開展不僅豐富仿生學的內容，還為傳統減阻降噪方法基礎上進一步降低風扇流動損失和渦流噪聲提供了新途徑，對於節能降耗、降低噪聲污染具有重要的現實意義。

結題摘要

本項目依據課題任務書的要求，按計畫開展了魚鰭表面仿生基礎研究、魚鰭表面仿生基礎研究、軸流風機葉仿生設計及其氣動性能和聲學性能試驗、軸流風機仿生葉片的降噪機理研究，完成了項目申請書中既定的研究任務，並在本項目中魚鰭剛柔相間表面功能的啟發下，拓展了其它水生動物表面性能的研究。具體如下： (1) 魚鰭表面仿生基礎研究 套用雷射共聚顯微鏡和體視顯微鏡觀察並測量了鮪魚、頜針魚及鯉魚等魚鰭表面巨觀及微觀結構，表征了其構成與主要參數；套用3D掃瞄器掃描了魚體結構，建立了魚體三維CAD模型，套用CFD分析了魚體周圍流場參數，確定了魚鰭表面流體流動方向與鰭條分布方向的關係；建立基於魚體表面的剛柔相間表面模型，套用流固耦合方法分析了剛柔相間表面對流場的控制行為。 (2) 軸流風機葉片仿生設計及其氣動性能和聲學性能試驗 為了確定柔性材料對流動控制的貢獻量，對剛柔相間表面流場控制性能進行了解耦研究，分別製備柔性表面葉片和剛柔相間表面葉片，測試了其氣動性能和聲學性能，並用正交試驗最佳化了剛柔相間表面，獲得了影響其聲學性能的主次因素和最優水平。結果表明，柔性表面布置在吸力面、壓力面及兩面均布置三種情況下均可以起到提高風扇效率、降低噪聲的作用，伴隨電壓提高，風扇流量、靜壓效率、全壓效率、降噪性能均相應提高。其中，吸力面布置柔性材料的增效作用最好，14V電壓下風扇流量提高5.21CMH，靜壓效率提高6.27%，全壓效率提高6.3%，風扇峰值噪聲降低2.05dB。剛柔相間表面也可以起到提高靜壓效率、降低功耗、抑制噪聲的作用部分，降噪性能較單一柔性表面有所提高，最大降低6dB以上。試驗範圍內，影響風機噪聲的主次因素分別為表面肋條截面形狀、肋條高度及寬度，其中O形最好，高度越小、寬度越大，效果越顯著。 (3) 軸流風機仿生葉片的降噪機理 分別用MRF方法和動格線方法分析了剛性肋條表面對風機流場行為。結果表明，肋條表面可有效抑制葉尖大渦的形成，降低渦旋強度。柔性表面對於葉片表面脈動壓力具有緩衝作用，與肋條結構耦合可有效控制流場結構，降低風扇流動損失，抑制氣動噪聲。 (4) 本項目的拓展研究 受魚鰭剛柔表面特性的啟發，開展了其它水生動物表面的仿生研究。發現了毛蚶表面也具有軟硬相間結構的特性，分析了毛蚶表面流場，試驗軟硬相間表面的耐沖蝕性能。