基于仿生学的风机降噪技术研究进展

李芳环，赵小娟，陈爱平

（1.武昌工学院 智能制造学院，湖北 武汉 430065；2.绿色风机制造湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430065）

0 引言

风机作为通风换气的重要设备，在家用电器、工厂及矿井等多领域得到应用。因而，风机的噪声控制成为科学界关注的一个重点和热点问题。随着科学技术的不断发展和进步，研究者从生物界获得灵感，通过研究天空中静音飞行的鸟类、水中游动的鱼类，获取有利于改善风机气动性能和降噪的特征元素，从而控制风机的噪声。本文综述基于仿生学的风机降噪优化设计，分析和总结各类仿生机构的降噪机理。

1 仿生信息提取

风机的仿生降噪优化设计过程，首先是从生物界中选取生物在进化过程中形成的静音飞行特征或者是利于流体流动的特征作为研究对象，对所选取的生物原型加以研究并数字化，将研究得到的相关资料除去不重要的因素进行简化，保留有利于风机气动性能研究和降噪方面的内容，通常采用三维扫描或者逆向工程的方法获取一个生物形态模型，然后构建具有生物形态的数学仿生模型[1]。在构建仿生模型的过程中，根据产品的尺寸，对生物形态的参数进行相似性等比放大或者缩小。

在研究风机的过程中，利用逆向工程的仿生大多用的是结构仿生和形态仿生[2-3]。王珂等[4]基于结构仿生，从离心风机的运动部件和静止部件相互匹配的角度来设计离心风机，蜗舌采用基于长耳翼型前缘的仿生设计方法。刘阳等[5]受鱼类游动姿态的启发，为了改善离心风机的气动性能，从形态仿生的角度，设计了一种仿s 型离心风机叶片。

2 基于仿生学的轴流风机降噪研究进展

王雷等[6]受静音飞行代表长耳鸮翅膀翼型结构的启发，提出了一种轴流风机的仿生叶片。该仿生叶片通过逆向工程提取40%截面处的长耳鸮翼型截面进行厚度方向的修型，在叶片尾缘处耦合了正弦型锯齿结构。通过数值分析，发现叶片尾缘处的锯齿结构能抑制叶片的湍流边界层噪声，对比原型风机和仿生耦合叶片风机，发现仿生耦合叶片风机在风量上提升4.69%，噪声幅度下降2 dB。

刘刚等[7]借鉴机翼叶尖小翼结构，对轴流风机叶片顶部融合叶尖小翼结构。通过调整叶尖小翼外倾角为0°，10°，20°，30°，40°来分析叶尖小翼外倾角对风机气动性能的影响。模拟结果得出，选择合适的叶尖小翼可以有效地降低风机的噪声，在外倾角为20°时，风机噪声最小，而在外倾角继续增加的时候，尤其当外倾角为40°时，风机噪声与没有增加叶尖小翼风机的噪声一样。

基于仿生学锯齿机构，王绍兴[8]针对DTF18#地铁轴流风机进行研究，数值模拟设计了叶片翼顶前缘锯齿结构、叶片尾缘锯齿结构、翼顶前缘及叶片尾缘组合结构，通过计算分析，对所设计的风机进行了样机制作，最终发现计算结果与实际测量结果基本吻合，验证了翼型叶片锯齿结构的降噪效果，其中，尾缘锯齿结构和前后缘锯齿结构的降噪效果最为明显，分别是3.5 dB 和3.3 dB。

孙少明[9]等设计了仿鸮翼的非光滑前缘的仿生轴流风机叶片，通过试验证明，仿生非光滑叶片相对原型风机叶片有明显的降噪效果，影响降噪效果的因素中，非光滑单元间距为主要因素，其次分别是非光滑单元的高度和非光滑单元个数。

吕建民等[10]通过观察和测量长耳鸮翼羽的层叠结构，在轴流风机叶片的三维建模中应用了鸮翼羽的条纹槽状结构，并把风机叶片前缘做成正弦曲线状结构，利用CNC 加工中心完成对叶片模型的加工，加工了1 个原型风机和9 种具有不同非光滑单元个数、不同非光滑槽深度、不同非光滑单元间距的仿生轴流风机叶片模型。实验结果表明，非光滑单元个数为6、非光滑槽深度为1 mm、非光滑单元间距为30 mm 的试件为最优模型，最大降噪值为1.6 dB，最大降噪率为2.61%。数值模拟分析了仿生叶片的降噪机理。

黄琪琪等[11]将仿生尾缘应用到以NACA65-010叶型通过加弯技术设计的小型轴流风机上，实验采用了1 个原型风机和4 个叶片尾缘，20%～96.5%叶高处均布20 个锯齿，锯齿的齿高为5 mm，锯齿的宽度为2.5 mm，锯齿齿根部的倾斜角分别为20°，30°，40°和90°，模型在风洞上进行实验，结果验证了仿生锯齿尾缘的降噪效果，且实验得出锯齿根部的倾斜角度为30°时的降噪效果最好，可以达到A 声级降噪2.38 dB，锯齿尾缘小流量风机在A 声级上还可以最高降低1.87 dB。

叶学民等[12]分析了锯齿尾缘的降噪性能，以OB-84 型动叶可调轴流风机为研究对象，采用切割的方法在动叶尾缘建立了3 个锯齿尾缘宽度均为17，长度分别为14 mm、21 mm、28 mm 的A，B，C 三个风机叶片模型。模拟结果发现，3 个模型在中频段的降噪效果最为明显，而且降噪效果与锯齿的长度正相关，因此A，B，C 三个模型中C 的降噪效果最好，最多可降低30 dB。

石磊等[13]通过数值模拟的方法验证了NACA0018 翼型模型的降噪效果，发现前缘圆形锯齿状和后缘锯齿状组合结构的降噪效果比单纯的前缘圆形锯齿和后缘锯齿降噪效果明显。

3 基于仿生学的离心风机降噪研究进展

刘小民等[14]通过数值模拟的方法验证了NACA0012 翼型和仿生翼型的降噪特性。熊仲营等[15]通过原型风机和仿生离心风机的模型对比，发现仿鱼型叶片风机在风量上增大了36 m3·h-1，效率提高了5.65%，噪声在监测点处平均降噪2.78 dB，从而得出仿鱼型叶片风机用于离心风机的优化是有效的。

孙少明等[16]基于长耳鸮翼表面形态与构型特征，设计出了仿生降噪蜗舌。仿生降噪蜗舌设计重点考虑了仿生形态的个数、仿生形态的高度及仿生形态的间距这三个方面的因素，每个因素选取4 个水平。通过正交试验的方法，对设计的16 个试样进行研究。试验结果表明，最优的组合模型为仿生单元个数为4、单元高度为1.5 mm、单元间距为30 mm，可以达到降噪3.1 dB。在仿生形态的3 个影响因素中，仿生形态单元间距的影响最大，单元个数的影响最小。

王加浩等[17]从鲤科鱼在逃生的时候身形从直线变为C 型受到启发，对草鱼受到刺激后的C 型曲线做了研究，以该C 型曲线为叶片的中弧线，通过对比在叶片进口角5°～25°范围内变化时风机的噪声和吸风量情况，得出叶片中弧线进口角为12.5°为最优方案，然后以12.5°进口角设计了仿生耦合叶片。与原型风机相比，仿生耦合叶片风机在风量上增加了8.3%，降噪最大为1.1 dB。

邬长乐等[18]通过数值模拟的方法研究了仿生叶片在离心风机上的应用。作者建立了3 种仿生模型，分别是叶片有波型前缘、叶片有锯齿尾缘、叶片上有凹坑。将这3 种仿生模型与原型风机模型进行对比，发现叶片具有锯齿尾缘的离心风机的降噪效果最明显，平均降噪达到了5.04 dB；凹坑型风机模型对降噪没有任何帮助，反而会使噪声提升0.85 dB，但是凹坑型风机模型对于提升风机效率有明显的作用。

黄恩德等[19]基于相似性原理，应用长耳鸮皮肤组织中的吸声特征元素，在标本几何尺寸上进行放大，设计了仿生蜗舌。仿生蜗舌主要包括微缝层、穿孔层及空腔3部分。试验中制作了两种仿生模型，一种是带穿孔板的耦合吸声结构蜗舌，另外一种是不带穿孔板的耦合吸声结构蜗舌。结果表明，在小流量情况下，两种仿生蜗舌都可以降噪，但带穿孔板的耦合仿生吸声结构蜗舌的降噪效果最明显，最大能降低2.5 dB，在设计点时，噪声等级能降低0.5 dB；而在大流量情况下，降噪不明显。降噪的机理是仿生降噪蜗舌可以改善蜗舌绕流附面层参数，使附面层分离推迟，噪声得到有效控制。耦合仿生吸声结构蜗舌在气流从叶轮流过微缝时，一部分声能转化为与微缝摩擦引起的热能，还有一部分气流在微孔中发生共振，声能被减弱。

刘小民等[20]采用逆向工程方法提取了苍鹰翼降噪的特征元素，根据相似原则将苍鹰翼的条纹结构和锯齿结构缩小，建立了风机等厚度单圆弧叶片仿生结构模型，通过数值计算与分析，结果表明采用仿生尾缘可以改变各截面尾迹涡的脱落位置，增大涡间距离，减小脱落涡对尾迹流动的扰动，降低叶片表面的压力脉动，最终使得尾迹涡引起的气动噪声显著降低。

4 结语

本文综述了仿生结构在风机降噪中的应用和相关研究。总体来说，风机降噪主要采用的是仿苍鹰翼的各类锯齿机构和仿鱼体的各种形态。目前，仿苍鹰翼的各类锯齿机构在风机降噪中的研究相对比较成熟，而仿鱼体的各种形态在风机降噪中的研究还处于初级阶段。降低气动噪声的关键是考虑风机的运动部件叶片或者叶轮表面的压力脉动以及风机出口涡流的分离。利用多元耦合仿生技术，从形态、结构到材料综合考虑，在降低风机噪声的同时更大程度地提高风机的性能，是未来研究的一个重要方向。