通孔泡沫金属材料控制离心压缩机尾迹和噪声的研究

There is an urgent demand to control centrifugal compressors noise, which is generated mainly due to the strong wake interactions among the inlet guide vanes, impeller blades and vaned diffusers. The primary idea of this proposal is to synthetically attenuate the turbulence intensity of wake and to absorb the pressure wave by using open-cell metal foams, which is beneficial to control source strengths and sound propagation, respectively. The key point of this idea is to match the characteristic geometrical parameters of open-cell metal foams with the characteristic parameters of the incoming wake and incident wave, respectively. Therefore, the experimental and numerical studies will be performed to investigate the effect of geometrical parameters of metal foams (e.g., porosity and PPI) on wake characteristic parameters (e.g., wake width, maximum deficit velocity, turbulent integral length scale, turbulent intensity and turbulent energy spectrum) and acoustic-absorption performance (e.g., acoustic-absorption coefficient and frequency bandwidth). The above studies help to establish an elastic damping model and an acoustic impedance model to describe wake-attenuating and acoustic-absorption performances of open-cell metal foams, respectively. The primary aim of this project is to develop a comprehensive method for synthetically controlling wake and noise of centrifugal compressors.

离心压缩机噪声是迫切需要解决的技术难题，其中在离心压缩机进口导叶-叶轮-叶片扩压器区域中的尾迹冲击是诱发噪声的主要原因之一。本项目设想利用通孔泡沫金属分别衰减离心压缩机尾迹的湍流强度和吸收气流通道中的压力波，同时从控制声源和声传播的两个角度来降低离心压缩机的噪声。实现上述设想的关键是选取合理的通孔泡沫金属材料结构参数与来流尾迹和入射声波的参数进行匹配。因此，本项目采用实验和数值方法研究通孔泡沫金属材料结构参数(孔隙率、胞元直径等)对尾迹特征参数(尾迹宽度、最大亏损速度、湍流强度、湍流积分长度和湍动能谱)和吸声特性(吸声系数、吸声频带宽度等)的影响。在此基础上分别建立弹性-阻尼模型和声学阻抗模型来描述泡沫金属材料控制尾迹湍流强度和吸声的特性，用于泡沫金属材料结构参数的优选设计。本项目的主要目标是发展一种基于泡沫金属材料同时抑制尾迹湍流脉动和吸声的新一代离心压缩机噪声控制技术。

离心压缩机进口导叶-叶轮-叶片扩压器组成的通流区域中存在典型的尾迹冲击现象，尾迹冲击是激发离心压缩机噪声的主要来源之一。本项目设想采用通孔泡沫金属材料分别从控制尾迹和吸声的角度降低离心压缩机噪声，因此，本项目的主要研究内容包括如下三个方面：通孔泡沫金属材料控制尾迹的研究；通孔泡沫金属材料吸声特性的研究；通孔泡沫金属材料控制离心压缩机叶片尾迹和噪声的实验验证。. 项目主要研究成果包括：(1) 采用数值研究方法揭示了通孔泡沫金属空隙尺度上的流动特征及其与辐射噪声的关联性，阐明了流体通过通孔泡沫金属材料时形成阻力的主要诱因；(2) 提出了通孔泡沫金属材料控制湍流尾迹的方法，揭示了通孔泡沫金属材料能够有效的抑制钝体尾缘的流动分离及其诱发的压力脉动，另外通孔泡沫金属材料能够加快尾迹亏损速度的恢复，从而降低对下游部件的冲击及其诱发的噪声；(3) 开展了通孔泡沫金属材料吸声特征的研究，建立了泡沫金属材料结构参数与声阻抗之间的关联模型，并完成了程序开发，为进一步开展降噪优化设计提供了基础；(4) 开展了基于多孔材料(通孔泡沫金属和微穿孔板)控制离心压缩机脉动诱发的振动和噪声的实验研究，结果证实，通过合理的优化多孔材料的结构参数和安装位置，能够有效的降低离心压缩机的离散噪声和宽频噪声。. 基于本项目的资助，项目负责人以第一/通讯作者身份在国际著名期刊上发表SCI论文5篇，在国内学术会议上发表论文1篇，申请在审发明专利1项。