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通风机的气动及耦合噪声研究
发布时间:2017.02.17
噪声是破坏环境、危及人们健康的污染源之一。通风机作为国民经济各部门广泛应用的通用机械设备,具有噪声大的特点。用于矿井通风的主扇是煤矿地面最大的噪声源之一。因此,研究通风机的噪声特性,对于进行噪声控制、改善工作环境和保护工人的身心健康都有非常重要的意义。 
  通风机噪声产生的原因:(1)空气动力产生的噪声;(2)机械振动产生的噪声;(3)气体和固体弹性系统互相作用产生的噪声,即耦合噪声。其中气动噪声和耦合噪声产生的机理尤为复杂。本文将着重对气动噪声和耦合噪声产生的机理加以分析和研究。  
1 通风机内部流动分离与噪声  
  叶轮高速旋转时,叶轮机械内部流动分离形式是多样的,产生机理是复杂的。在通风机中,叶轮入口、叶轮内部和叶轮出口都存在气流分离现象,特别是在非设计工况下,这种分离现象更为严重[1]。气流的分离将引起涡流,这些涡流由于粘性力的作用,又会分裂成一系列小涡流,涡流的移动和破裂,使气流发生扰动,在气流中形成压缩和稀疏过程,由此产生噪声。现在的叶轮机械常在非常复杂的设计工况或非设计工况下运行,其内部流动十分复杂。在非设计工况下,特别是在叶轮机械的流量小于额定流量一定值时,叶轮机械内部流动尤其是叶轮入口前的流动变化十分明显。这时,入口处的轴面上形成一个旋回流区,旋涡的方向与轴面垂直;同时,还发现一个与叶轮转动方向一致的轴向旋涡。即在旋涡区内,流体以一定的角速度绕轴旋转,随着流量的进一步减小,旋回流区向吸入管上游和吸入管中心扩展,涡流内部进入混沌状态。 
  对于一个沿其轴线由稳定发展到破裂的旋涡,实验测量不出旋涡破裂前涡核附近区域的速度场,其原因是远前方均匀扩散的微粒子,绝大多数流进该区域的外部。从理论上描述叶轮机械的内部流动和旋涡的发展,可以用纳维—斯托克斯方程作为控制旋涡的方程,其方程如下:  
  (1)  
式中 p、ρ、υ——流体压力、密度和运动粘度 
  纳维—斯托克斯方程能否表现出分叉等非线性行为,让我们首先来分析一下著名的洛伦兹(g.n.lorenz)非线性系统:  
  (2)  
式中pr为普朗特数,b>0,ra=prreri(ri为理查逊数,re为雷诺数) 
  这样的确定性的系统可以有随机的结果,也就是说,随机的原因来自于内部的非线性机制而不是外部。洛伦兹从理论上证明了出现随机的结果是必然的。若式(2)把,,看成是相空间速度v(x,y,z)的三个分量,则速度散度为:  
  
是稳定系统。其次若方程(2)中取=pry,=rax,则  
-prrax=0  
为单摆方程,由于ra>0,为处处不稳定。总之,式(2)的整体稳定性和处处局部不稳定性,必然导致轨道的随机性。 
  纳维—斯托克斯方程由于有粘性,因而从整体上也是稳定的。同时,又有偏离定常解v/t=0的局部不稳定因素。再加上非线性相(v.
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