【风扇降噪专题】前缘噪声
本文摘要：（由ai生成）
本文探讨了仿生设计在风机叶片上的应用。罗马大学和埃尔朗根-纽伦堡大学的研究发现，模仿鲨鱼鳍的仿生叶片能显著降低风机噪声并提高效率。3D打印的仿生叶片在测试中显示气动效率提升，总声压级下降约5dB，并在不同流量下均能降噪。德国施乐佰的ZA Bluefin离心风机采用波浪形仿生叶片，实现效率提升4%，噪声降低近5dB，证明了仿生设计的实际应用效果。这种设计有望引领风机行业的技术革命。
海洋中的鲨鱼相信大多数人都没有亲眼见过，可能只在CCTV科教频道或者BBC蓝色星球纪录片里面见识它们巡航的场景。再广泛一点，或许在《老人与海》文字中想象那些豪迈的人鲨搏斗画面。
图1：鲨鱼戏水
1.一个想法
第一次看到对叶片前缘仿生处理是来自2015年罗马大学的一篇文章，他们的灵感正是来自于鲨鱼鳍前缘突起的形状。研究风机是一台直径2.24m，转速1500rpm的大型轴流风机，总声压级水平约为95dBA。考虑到叶尖位置速度高，是主要的噪声源。为此基于仿生学角度将叶尖位置的前缘改成类似鲨鱼鳍的形状。
图2：叶片仿生原理
基于仿真的研究方法，图3对比了尾缘叶尖处速度脉动与前缘仿生处理的趋势关系。可以看到仿生处理叶片尾缘速度脉动振幅明显下降，但是频率差异不大。虽然没有详细的声学计算或者样机验证，罗马的研究人员的这一类研究还是比较靠前的。
图3：叶片仿生原理
2018年，原班人马又将前缘仿生研究拓展到一款常见的离心风机如图4所示。该离心风机选用一款常见的NACA叶型，仿生策略是将整个叶片前缘使用正玄分布来近似仿生效果。
图4：前缘仿生技术在离心风机应用
图5显示叶片前缘经过仿生处理，不会影响中截面Span50%位置流场，但是仿生前缘叶片对靠近上端盖Span90%位置大分离漩涡具有良好的抑制作用。根据作者以往研究以及相关论文均发现，Span90%位置是此类离心风机一个主要的噪声源。
图5：流场对比结果
2.一场精细验证
埃尔朗根-纽伦堡大学同年在轴流风机上采用了叶片前缘仿生设计，该轴流风机直径500mm,转速1500rpm，叶片安装角为20°。初始模型叶片前缘在径向分布是一条直线。
图6：轴流风机示意图
为了定量研究前缘仿生锯齿的影响，将不同振幅和波长的正玄曲线集成到叶片前缘，相关信息如下图所示。通过3D打印制作仿生设计的风扇，分别在风洞和噪声实验室对比不同风扇的综合性能。注意到风机噪声测试上游添加格栅装置来提高进口湍流强度。
图7：仿生前缘锯齿参数
图8：轴流风机噪声测试
测试结果如图9所示，前缘锯齿叶片气动效率在整个工作范围均显示明显升高，同时总声压级下降~5dB。仿生风扇压差在设计点附近有小幅上升，然而在小流量附近显示有明显下降的趋势。综合以上对比可以得出结论：风扇前缘仿生锯齿处理可以显著增强风机整体性能。
图9：轴流风机气动和噪声性能对比
小流量（0.7m3/s）下噪声频谱对比如下图所示，当前流量下噪声的BPF峰值分布不明显，前缘锯齿叶片在400~2000Hz宽频范围内具有非常明显的降噪效果。对比不同的锯齿振幅和波长的频谱差异表现不明显，其中振幅167mm相比133mm锯齿有轻微的优势。
图10：噪声频谱结果对比（0.7m3/s）
与小流量前缘锯齿叶片主要影响宽频噪声相比，图11显示大流量（1.1m3/s）仿生设计不仅可以显著降低0~3000Hz宽频噪声，而且BPF和谐波频率均具有非常好的表现。
图11：噪声频谱结果对比（1.1m3/s）
3.一系列行业革命
德国施乐佰风机近几年在离心风机新产品 ZA Bluefin上应用叶片仿生技术，叶片前缘就是波浪形状，官网对此形状命名为Tubercle，与上文图2一致。可见这款风机设计与15年罗马大学研究肯定是有借鉴。
图12：施乐佰ZA Bluefin 离心风机
宣传册上性能对比显示ZABluefin 显示这款离心风机效率上升~4%，噪声下降接近5dB。这些数据与埃尔朗根-纽伦堡大学的研究成果对比还是挺值得相信。
图13：施乐佰ZA Bluefin性能
作者曾在制冷展上与施乐佰市场人员交流讨论这款风机，他们直言这款风机设计复杂不说，最大的挑战在于加工制造。也曾与丰富经验的风机设计造型工程师交流，他们也直言看完这款产品压根不知道如何制造出来。某些方面不服是真不行啊！
来源：懿朵科技
