轴流风机流动损失及涡流噪声仿生控制关键问题研究

It is difficult to controll the Friction losses caused by air viscosity and eddy noise caused by the separation of the boundary layer effectively. This project is to obtain the ralationship of the morphology parameters of the high speed fish fin surface and the flow structure and turbulence parameters,which will be the design basis of the bionic surface of the axial fan blade.Then,the effect of the bionic surface on the aerodynamic performance and acoustic performance is to be researched by experiments and numberical simulations.Studying on the low-speed strip spanwise spatial scale, the flow to spanwise velocity fluctuation amplitude,the flow to spanwise velocity fluctuation amplitude, pulse frequency, turbulent kinetic energy and turbulence intensity parameters, is to analyze the changes of the spatial and temporal evolution of the blade surface boundary layer structure of the blade wall with or without the bionic surface, and to reveal the mechanism of controlling the flow near the gas/solid interface and the mechanism of suppressing the bundary noise. The launching of this project not only is to enrich the contents of the bionics, but also to provide a new way to further reduce the fan flow losses and eddy noise. There is an important practical significance for saving energy, reducing noise pollution.

轴流风机由气流黏性引起的摩擦损失、附面层分离引起的涡流损失以及涡流噪声通过传统方式难以得到有效控制。本项目获取高游速鱼类鱼鳍表面形貌参数与鱼鳍周围流场组织结构及相关湍流参数的关系，以此作为依据设计轴流风机仿生叶片表面，通过试验及数值模拟研究其对轴流风机气动性能及声学性能的影响。通过研究叶片表面近壁区低速条带的展向空间尺度、壁面流向与展向速度脉动的幅值、脉动频率、湍动能及湍流强度等参数，分析改进前后叶片表面边界层结构的时空演化过程的变化，揭示仿生表面对轴流风机叶片气/固界面流体的微观控制机制及对边界层噪声的抑制机理。本项目的开展不仅丰富仿生学的内容，还为传统减阻降噪方法基础上进一步降低风扇流动损失和涡流噪声提供了新途径，对于节能降耗、降低噪声污染具有重要的现实意义。

本项目依据课题任务书的要求，按计划开展了鱼鳍表面仿生基础研究、鱼鳍表面仿生基础研究、轴流风机叶仿生设计及其气动性能和声学性能试验、轴流风机仿生叶片的降噪机理研究，完成了项目申请书中既定的研究任务，并在本项目中鱼鳍刚柔相间表面功能的启发下，拓展了其它水生动物表面性能的研究。具体如下：.(1) 鱼鳍表面仿生基础研究.应用激光共聚显微镜和体视显微镜观察并测量了金枪鱼、颌针鱼及鲤鱼等鱼鳍表面宏观及微观结构，表征了其构成与主要参数；应用3D扫描仪扫描了鱼体结构，建立了鱼体三维CAD模型，应用CFD分析了鱼体周围流场参数，确定了鱼鳍表面流体流动方向与鳍条分布方向的关系；建立基于鱼体表面的刚柔相间表面模型，应用流固耦合方法分析了刚柔相间表面对流场的控制行为。.(2) 轴流风机叶片仿生设计及其气动性能和声学性能试验.为了确定柔性材料对流动控制的贡献量，对刚柔相间表面流场控制性能进行了解耦研究，分别制备柔性表面叶片和刚柔相间表面叶片，测试了其气动性能和声学性能，并用正交试验优化了刚柔相间表面，获得了影响其声学性能的主次因素和最优水平。结果表明，柔性表面布置在吸力面、压力面及两面均布置三种情况下均可以起到提高风扇效率、降低噪声的作用，伴随电压提高，风扇流量、静压效率、全压效率、降噪性能均相应提高。其中，吸力面布置柔性材料的增效作用最好，14V电压下风扇流量提高5.21CMH，静压效率提高6.27%，全压效率提高6.3%，风扇峰值噪声降低2.05dB。刚柔相间表面也可以起到提高静压效率、降低功耗、抑制噪声的作用部分，降噪性能较单一柔性表面有所提高，最大降低6dB以上。试验范围内，影响风机噪声的主次因素分别为表面肋条截面形状、肋条高度及宽度，其中O形最好，高度越小、宽度越大，效果越显著。.(3) 轴流风机仿生叶片的降噪机理.分别用MRF方法和动网格方法分析了刚性肋条表面对风机流场行为。结果表明，肋条表面可有效抑制叶尖大涡的形成，降低涡旋强度。柔性表面对于叶片表面脉动压力具有缓冲作用，与肋条结构耦合可有效控制流场结构，降低风扇流动损失，抑制气动噪声。.(4) 本项目的拓展研究.受鱼鳍刚柔表面特性的启发，开展了其它水生动物表面的仿生研究。发现了毛蚶表面也具有软硬相间结构的特性，分析了毛蚶表面流场，试验软硬相间表面的耐冲蚀性能。