冷却风扇降噪综述*

卢宇晴，李建功，刘佳鑫，2

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063009；2.华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

伴随着社会的发展人们对于车辆的需求也越来越大。近些年来，由于空调系统和排气净化装置的普及，冷却风扇的负荷逐渐加大，而冷却风扇本身又是车辆最大噪声源之一，这就使得噪声污染变得更为严重。因此对冷却风扇进行改进使得其运行时产生的噪声保持在一个合理的范围内，不但能够降低噪声污染，减少对人们身心健康的威胁，而且能够提高轴功率，使得冷却风扇的有用功增加，从而实现节能环保。

近些年来，众多国内外研究者对于冷却风扇的研究已取得了一定的成果，这也为本研究提供了很多理论参考依据。本文将针对各类冷却风扇降噪的一般方法和一些新型方法进行系统论述，从而能够进一步明确冷却风扇在降低噪声方面的发展趋势，为未来冷却风扇的进一步改进提供思路。

1 冷却风扇噪声产生机理

冷却风扇噪声由机械噪声和气动噪声组成，而风扇的气动噪声是整个动力舱中噪声的主要来源。气动噪声由旋转噪声和涡流噪声组成，旋转噪声的噪声值峰值处为其基频处，通常情况下，该噪声值是冷却风扇的最高声压值。涡流噪声在频带上的变化主要受风扇转数、叶片的结构特征、叶珊参数、气流参数以及实际工况条件的影响。

旋转噪声主要是由于风扇在旋转过程中扇叶对周围空气施加作用力，使得空气产生脉动，进而使空气流动状态不均匀产生的噪声，这种噪声是冷却风扇旋转噪声的主要组成部分。除此之外，风扇在旋转时叶片在前缘区域会形成比较厚的空气附面层，而在叶片安装角和风扇叶型的影响下风扇叶片尾缘处的空气压力和速度都比风扇叶片间流道区域的压力和速度大，产生的脉动压力极其不稳定，从而引发噪声污染。

涡流噪声之所以会产生是因为风扇运转时气体会流经风扇叶片，在此过程中叶片表面会产生紊流附面层，对叶片产生压力作用，附面层的状态越紊乱伴随的噪声越大，紊乱气流很容易产生涡流和二次涡流，涡流在破裂和脱落时都会产生特别大的脉动压力及涡流噪声。

2 噪声的抑制手段

2.1 选择性能较好的风扇单体

冷却风扇单体的性能影响因素主要包括风扇叶片数目、叶片安装角、风扇转速、风扇直径大小、叶片间的间距，以及风扇翼型的选择和制作风扇的材料等。针对风扇单体的设计问题而产生的噪声污染问题，国内外学者对其进行了广泛的探索与研究，并取得了一定的成果。

刘雄等[1]针对叶型不同的冷却风扇，对叶型参数、气动参数以及气动噪声之间的内在联系进行了深入分析，为接下来冷却风扇更加精密的设计提供了理论依据。耿丽珍等[2]搭建冷却风扇风道试验台，并依据试验台在FLUENT软件上建立模型进行相关仿真分析，分析出其流场分布的特点，并利用声学模块对其气动噪声开展研究，最后将扇叶的参数优化，达到了降低气动噪声的目的。Rama Krishna S等[3]将冷却风扇翼型设计为NACA，然后应用FLUENT软件对该系列叶型进行流场分析和噪声分析，研究发现当冷却风扇选择NACA65-010翼型时，其噪声能够降低13 dB(A)左右，风量能够增加11.6%，该结果与试验数据的误差在5.8%以内。Ikeda等[4]在相对较低的雷诺数条件下，使用数值方法研究了两个NACA翼型在流动时周围产生的气动声场，在他们的研究中，边界剪切层中最大的放大频率不一定与翼型后缘噪声的主要频率一致，这是边界层不稳定的证据。有研究表明，当风扇叶片在圆周方向的间隔不均匀时，气流模式的频率会发生改变，使得风扇整体噪声水平降低[5]。Cattanei等[6]总结了轴流风扇叶片转子的叶片布置方法，将很多叶片噪声叠加视为一个干扰问题，通过计算干扰函数，从理论上可以快速预测叶片分布对噪声谱的影响，为接下来的噪声研究奠定基础。Anghinolfi等[7]将优化算法结合起来，以获得对噪声最佳改善效果，并进一步改进了随机叶片分布的设计方法。刘洁等[8]调整了冷却风扇和导风罩间的相对位置，针对冷却风扇的噪声风速比进行计算，最后实现了冷却风扇噪声风速比降低，并改善了冷却风扇的综合性能。

由以上研究成果可以发现，选择较好的冷却风扇单体的最大优势在于能够针对冷却风扇的每个具体问题进行具体分析并加以改进，从而达到降噪效果，但是仅限于风扇单体本身，对于实际工况还需要设计多个研究方案进行对比分析，才能得出最佳方法实现冷却风扇的节能降噪，工作量相对偏大。

2.2 选择较好的散热器以及冷却风扇匹配模式

可以通过合理布置冷却风扇、导风罩、散热器三者之间的相对位置来达到降噪的效果。Behzadmehr等[9]通过实验研究了整个冷却系统的进口参数及冷却系统内部的相互作用对风扇降噪和气动性能的影响，在实验中他们引入了一些与降噪和提高效率相关的关键参数，所得结果显示：使用最高的入口曲率将噪声水平从68.08 dB(A)降低至63.68 dB(A)，并将效率从29.2%提高到43.3%；将风扇按照入口钟形件位置(无径向间隙)布置可以将噪声水平降低至62.78 dB(A)，并将效率提高至45.8%；最后，使用双曲形状护罩将噪声水平降低到60.09 dB(A)，并将效率提高到48.5%。在最近几年，为了有效地预测辐射噪声，学者们已经研究了另一种混合方法，该方法基于SAS(Scale Adaptive Simulation，尺度自适应仿真)湍流模型和不带护罩的URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes,非定常雷诺时均法)计算流体动力学的结果，取得了丰富的成果，有效预测并降低了冷却风扇噪声[10，11]。

选择较好的散热器以及冷却风扇匹配模式的目的是为了能够有效降低风扇噪声，从而实现节能环保，但是因为其研究时间相对较短、研究人员相对较少，因此对其还需要更进一步地研究与探讨。

2.3 应用仿生技术改进风扇

仿生学是生物科学与工程技术相结合的一门交叉学科，它为科学研究提供了新的思路和方法。仿生学的任务就是研究生物体系所拥有的特殊能力以及该能力产生的机理，接下来将其模式化，应用相应的原理来进行技术设备的设计制造与改良。在自然界中，一些生物在长期的逐渐进化中形成了具有环境选择特征的独特的身体结构和表面，如鲨鱼鳍、鲨鱼皮、鸟类翅膀，在研究这些生物结构和特性的基础上，提出并发展了各种节能、降噪的方法。

Ren等[12]通过实验证明了长耳猫头鹰前缘的非光滑羽毛对低噪声飞行有显著影响，实验测量结果表明，猫头鹰的圆弧齿形前缘被量化为波高波长比为0.12～0.19的正弦曲线，数值结果表明，该方法能够有效地抑制噪声，噪声降低了5 dB(A)～10 dB(A)。梁[13]在轴流风机叶片前缘采用了锯齿仿生结构，使气动噪声降低了2.2 dB，流量提高了11.2%，效率提高了5.3%。李疆鸿等[14]研究发现，鸮类的羽毛结构相比较其他飞禽而言具有一定的特殊性，鸮类的羽毛表面具有立体网格状的羽小枝，这样便能让鸮类在捕猎时做到“悄无声息”，因此他们将鸮类独特的羽毛结构和风扇叶片相结合，使风扇的气动性能得到了很好的改善。刘小民等[15]研究发现，苍鹰在飞行过程中可以做到几乎没有声音，这一点同它长时间生存的周边环境所形成的特殊体表降噪系统有着最直接的关系，苍鹰的体表羽毛呈现的条纹和羽毛端部的锯齿状态为降噪的主要因素，而条纹结构可以使翅膀表面的附面层空气流动状态发生改变进而使得气流在流动时能够顺着条纹流动的方向流动，从而将紊流气体产生的涡流噪声和压力脉动降低。

从上述分析与介绍可知，应用仿生技术改进冷却风扇叶片能够有效地实现抑制冷却风扇噪声的目标，其技术正在逐渐成熟。研究人员首先将仿生学应用于冷却风扇，并通过仿真、实验进行分析，验证其合理性，接下来针对具体问题进行随后的具体研究，不但能够提高工作效率，还使得结果更加精确。

3 结论

(1) 从理论上说，选择较好的冷却风扇单体和选择较好的散热器以及冷却风扇匹配模式可以很容易地实现降低噪声的目的，但是当作用在具体工况时，由于实际工况下的情况十分复杂，要想证明该选择能满足实际工况下的需求并实现降噪和节能环保的目的，就需要大量的实验以及对比分析，工作量巨大，而且不确定性高，局限性很大。

(2) 应用仿生技术改进风扇实现降噪效果相比较而言就显得“智能”很多，可以根据现有生物自身身体结构特征对风扇扇叶进行改造，使得扇叶具有同某生物身体结构和表面相似的特征，这样便可以按照人为设计的轨迹进行实验操作和分析，而且该技术发展前景特别广阔，因此这种方法效果更佳。

(3) 冷却风扇降噪的趋势是学者和研究者将所有的研究方法同实际工作中现实工况的具体环境相结合而制定研究方案，对冷却风扇进行改进，从而减轻冷却风扇在运行时所产生的噪声污染并节约能源。