1.气动声学国内外研究现状 气动声学所考虑的是气动力或流体运动中所产生的噪声，而不是经典声学中因为外力或运动而产生的声。气动声常常由非定常气动力与湍流产生[1]。气动声学伴随着流体力学与现代噪声理论不断完善，发展。1753年，欧拉由连续介质模型推导出了欧拉方程，用一组微分方程描述了无黏性流体的运动[2]。Navier在1827年提出粘性流体的运动方程，只考虑了不可压缩流体的流动，Stokes在1845年独立提出粘性系数为一常数形式的方程，即现在广泛采用的纳斯-斯托克斯方程，该方程描述了粘性流体运动的基本规律。现代气动声学最早开始于20世纪40年代，当时飞机的喷气飞行技术开始走向民用航空业，刺耳的气流噪声成为阻碍喷气式飞机发展的重大技术难点。于是工程师们开始着手研究如何降低飞机的射流噪声，气动声学也作为一门新兴学科发展起来[1]。1952年，英国学者Lighthill利用和古典声学类比的方法，在N-S方程的基础上导出了Lighthill方程[3]，该方程描述了声波波动量以及气流运动发声的机理，Lighthill方程也成为研究气动声学的基本方程。
图3.1.1 气动声源特性 起初，Lighthill方程在求解时是假设在自由空间中，并且忽略了固体壁面的作用，然而在更一般的情况下，固体壁面与流体相互作用的影响不可忽略。于是1955年，Curle用基 |
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尔霍夫方法对Lighthill方程进行了推广[4]，结果表明，固体壁面的作用等效于在整个固体壁面上分布的偶极子声源，Curle基于这种理论解决了湍流中静止物体发声的原理，但是未包含流体与运动固体边界作用的情况。 Powell[5]与Howe[6]在1964年提出的涡声理论表明:在低速等熵绝热的条件下，涡是产生气动声源的唯一原因，为湍流发声建立了理论基础。 随着气动声学的发展，1965年，Lowson研究了自由空间中的单极子、偶极子、多极子声源特性[7]，深入揭示了运动固体边界与流体相互作用的噪声问题。 1969年，Ffowcs Williams和Hawkings应用广义函数法，将Curel理论中运动固体边界对声音的影响加入到所推导的积分方程中，成功解决了流体中物体运动的噪声问题，得到了著名的FW-H方程[8]。FW-H方程为气动噪声的理论预测提供了有力依据，有很大的价值。 由于在声音传播过程中，多数情况下介质是在运动的。1974年，Goldstein研究了均匀运动介质下物体的发声问题[9]，他利用格林函数方法得到了一般性的广义Lighthill方程，从理论上解决了均匀运动介质下运动物体的噪声问题。 气动声学的发展使得人们在解决流体噪声问题时有了理论依据。由于旋转机械的气动噪声既包含旋转噪声又包含湍流噪声，因此旋转机械的发声问题比较复杂，一直是气动声学领域的研究热点。 李林凌等[10]运用Gauss-Legendre算法对风机叶片的气动噪声进行计算，综合了叶片脉动升力，尾迹宽度等各种因素，研究了风机叶片气动噪声的变化情况。 耿丽珍[11]等讨论了汽车发动机冷却风扇气动噪声的产生机理和主要影响因素，根据仿真结果对风扇叶片进行了优化设计，降噪效果明显均在3dB以上。 Atsushi等[12]运用基于CFD软件对车用发动机冷却风扇进行了气动噪声模拟分析，通过分析结果对车用风扇进行了降噪处理。 Wook Kim等[13]对电冰箱内的轴流风扇的噪声进行了研究。基于CFD分析软件分析了电冰箱内轴流风扇的噪声辐射问题。发现改变风扇安装位置可以降低流场湍流，达到降低电冰箱的噪声的目的。 Borges S.S.等[14]提出了一个用于预测冷却电机用轴流风机的气动噪声的计算模型，通过结合实验和仿真数据来减小误差，能够方便快速的预测风机噪声; Seungyub Lee等[15]利用CFD流体仿真软件，对电冰箱内的风扇进行了噪声分析，提出了降低风扇叶片通过频率的方法来降低风扇噪声的方案。将风扇的噪声最后降低了3dB。 Seung Heo等[16]则使用宽频噪声模型针对S型的风扇翼型的宽频噪声进行了分析。并分析了其他结构参数对其噪声的影响，改变了风扇部分结构参数，使得风扇噪声降低了约2.2dB。 2.风道优化与温度分布研究 风道优化设计往往与舱室内温度分布紧密相关，同时，舱室内温度分布也影响着冰箱的散热与能耗效应。因此，对冰箱舱室的优化设计首先应从空间的温度分布入手，由于空间内温度的均匀分布主要依赖于风道的结构与风口的特性，所以，空间内的温度分布的均匀性也成为衡量风道的重要参考信息。 在流场优化的方面，各类家电产品、汽车及制冷设备的风道设计己经有较多的研究。刘永辉等[17]利用CFD仿真软件研究了大容积风冷冰箱的冷冻与冷藏风道，认为冷冻风机采用离心风机的流场特性优于轴流风机，采用离心风机可降低冰箱噪声。 邓建强等[18]通过数值模拟的方法研究了导流板与隔板参数对风道送风均匀性的影响，认为隔板的影响较导流板大，且主要影响部分风道的送风特性。 张西良等[19]研究了空气净化机中气体的流动问题，对进风口、滤纸、出风口的参数与风速的关系进行了分析。 Raghavan B.等[20]提出了一种异步的风道优化方法，可用于提高风道的性能，提升出口的气流均匀性以及管道流量。 国内外学者对冰箱等制冷产品在温度分布方面进行了广泛的研究。对于直冷冰箱，吴小华等[21]研究了直冷式冰箱冷藏室内部的自然对流及传热，通过优化蒸发器的位置和结构，可减小箱体内的温度差异并增强换热。 丁国良等[22]采用稳态的二维有限元模拟方法对冰箱中的速度场与温度场进行仿真，通过实验验证了模拟方法可有效的用于分析冰箱内部结构对气流流动的影响，发现搁架与后壁的间隙和搁架与门体的间隙对温度均匀性有较大影响，减小间隙可以有效提高温度分布的均匀性。 对于间冷式冰箱，Kazuhiro H.等[23]采用CFD仿真软件对单门的风冷冰箱冷藏室进行了二维的非定常模拟，通过设计不同的出风口结构提升了风道的送风效率，并大幅提高了冷却速率，其实验结果有待验证。 Lacerda V T.等[24]制作了透明的冰箱模型，利用DPIV与温度测试的方法测试其中的流场与温度场，为冰箱温度与流场的耦合测试提供了一种新的方法。 Gupta J.K.等[25]人以方法对间冷式冰箱的冷藏室和冷冻室的流场和温度场进行了研究，并以温度实验验证仿真结果的正确性，而由于缺乏准确的边界条件，冷藏室的仿真结果与实验结果相差较大，冷冻室的仿真结果精度较高。 俞炳丰等[26]利用计算机模拟与PN实验手段，对简化的冰箱冷藏室和冷冻室模型进行研究，分析了内部参数对流场的影响因素，认为仿真手段可以有效的用于间冷式冰箱的优化改进。 Giovanni C.等[27]人研究了CFD技术在冷藏陈列柜上的应用，对陈列柜的流场与温度场分布进行了二维大涡模拟，调整进风口的速度和角度优化柜内的流场与温度场分布 苏秀平等[28]人研究了间冷式冰箱冷冻风机的流场，通过改变风机的盖板结构可以有效的降低涡流，并提高冷冻室内气流分布的均匀性。 Belman-Flores J.M.等[29]人对一台上藏下冻冰箱内的温度场进行研究，发现冷藏室内温度分布不能很好的满足食物的保鲜要求，通过在门架上开槽保证空气的流通，结果表明改进后平均温度下降并且温度均匀性也所有改善。 Fukuyo K.等[30]提出了一种新的气流供应系统，能够提高家用冰箱内的温度均匀性和冷却率，主要是在传统的风道中增加了一个风扇和喷嘴槽，从而优化速度分布，通过搅动内部空气从而提高温度均匀性，数值模拟结果表明改进后系统温度均匀性提高了2倍，冷却率提高了4倍。 此外，于兵等[31]研究了双门间冷式冰箱内的温度场与流场，认为间冷式冰箱中的浮升力对流场和温度场的影响较小。 C. Conceiccedil;atilde;o Antoacute;nio等[32]人对冰箱舱室分别用CFD软件仿真与基于遗传算法的人工神经网络工具进行了空间温度场的仿真，并与实际测试结果进行了对比，结果认为软件仿真工具有明显优势，而且人工神经网络的计算结果误差更小。 Jining Sun等[33]人采用计算流体动力学模型研究导风片对垂直多层冷藏展示柜性能的影响。结果表明，导风片垂直加速气幕，导致更强更硬的空气幕，从而抑制环境暖空气进入机柜。可以使柜内模拟食物的平均温度比不带条的柜体的平均温度降低4.9℃。 Avcı H, Kumlutaş D等[34]人使用CFD方法对冰箱的空气的内部容积进行建模分析。采用参数化方法对所得设计参数进行优化研究。最优设计案例由ANN预测，最终冰箱的性能提高了大约7.7％。年能源消耗量将减少17.52千瓦时。 Limin Wang[35]展示的是在开启和关闭的自动动态循环过程中，制冷柜中空气流动和温度变化的3D模拟。为正确模拟多孔板分离蒸发器和储存室的效果，设计了一个基准问题，并作为参考，通过参数优化确定多孔跳跃模型中的参数。制冷系统的全三维CFD模拟不仅提供了柜内的详细温度分布，还提供了系统的操作参数，例如开关开关循环。模拟输出对柜体设计非常重要，可以提高产品的存储质量，同时减少能源使用。 图3.2.1 冰柜示意图[35] 图3.2.2 流场与温度场3D模拟示意图[35] 参考文献： [1]戈德斯坦.气动声学[M].北京：国防工业出版社，2014:1. [2]王益群，张伟.流体传动及控制技术的评述[J].机械工程学报，2003(10):95-96. [3]Lighthill M.J.On Sound Generated Aerodynamically: Part I:General Theory[J]. Proceedings Of the Royal Society of London,1952,SeriesA(211):564-517. [4]Curle N.The influence of solid boundaries on aerodynamic sound. Proc[J]. Roy.Soc. London.1955,A23 1:505-514. |
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