舰船显控台冷却风扇噪声控制与仿真优化研究*

赵金鹏，周龙刚

（1.江苏自动化研究所，江苏 连云港 222006；2.西安经济技术开发区管理委员会，陕西 西安 710018）

引 言

随着军事现代化技术的飞速发展，海军装备进行了新一轮升级，对显控台等舰船电子装备的噪声性能要求越来越高[1-2]。显控台是舰船控制系统中重要的硬件平台设备，冷却风扇作为显控台冷却系统的核心部件之一，是整机噪声的重要来源。国军标对舰船电子设备的噪声限值提出了明确要求。近年来，随着舰船电子设备的升级，新一代舰船显控台应运而生，对噪声限值提出了更为苛刻的要求，因此对舰船显控台冷却风扇进行噪声控制与仿真优化正成为一项重要研究课题。

为解决冷却风扇的噪声问题，国内外学者进行了大量研究。在噪声识别方面，日本学者提出建立一个比A计权声压级更适合人类听觉系统的关于风扇噪声声品质的评价标准，通过听觉测试和因素来分析噪声声品质[3]；美国学者提出用三维线性理论来预测风扇的离散单音和宽频噪声[4]。在噪声控制策略方面，瑞典学者最早提出运用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）虚拟样机开展风扇噪声研究，对风扇叶尖间的不均匀间隔进行优化来控制噪声[5]；美国学者最早提出利用吸音或消声设备以衰减或耗散噪声声能来控制风扇噪声[6]；韩国学者提出了描述非定常流场中轴流风扇的空气动力学噪声的方法，旨在预测轴流风扇的噪声源和辐射噪声，并对流场和轴流风扇的声学压力进行了分析，利用大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）模型，通过网格依赖性研究优化网格，获得了良好的风扇噪声控制策略[7]。国内学者对冷却风扇性能的研究较晚，且主要集中在风扇的气动性能方面，针对风扇噪声控制的研究近年来才逐渐得到重视。文献[8]针对冷却风扇噪声，利用CFD和气动噪声计算机辅助分析（Computer-Aided Analysis,CAA）仿真软件对轴流风扇的内部流场进行了数值模拟，探讨了影响轴流风扇性能的主要参数；文献[9]发现风扇护风罩内产生的气动力学噪声是风扇的主要噪声源；文献[10]对风扇叶片的安装角度进行了科学分析，获得了不同安装角度和特定出口压力下的体积流率和风扇效率。

1 冷却风扇噪声源分析

冷却风扇噪声属于空气动力噪声，空气动力噪声是由于气体的流动或物体在气体中的运动而引起空气振动造成的。根据气动声学理论分析冷却风扇噪声产生的机理及频率特性，风扇噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成[11]。

旋转噪声是风扇在运行时，旋转叶片周期性地扰动周围的空气质点，引起空气周期性的压力脉动而产生噪声。这周期性的压力脉动是由一个稳态的基频和一系列谐波分量叠加而成，这些脉动分量f1（也称叶片通过频率）可用式（1）表示：

式中：n为风扇转速；z为风扇叶片数；k为谐波分量。

根据气动声学理论，风扇在空间均匀稳态流场工作时承受着稳态气动力作用，会产生叶片通过频率及谐波周期性压力脉动，这种压力脉动会产生声压，这就是叶片定常气动力产生的叶片通过频率及其谐波的离散单音声场；在稳定工作状态下的叶片工作在非均匀流场环境中，由于作用于叶片的来流气体的速度和方向的变化，每一个转子叶片会承受非定常气动力的作用，这种非定常力的噪声长的频谱特征也就是叶片通过频率及其谐波。通过以上叶片噪声的分析可知：离散噪声及其谐波在风扇噪声中占绝对的主导地位[12]。

叶片通过频率各谐波分量的相对强弱，取决于压力脉冲的形状以及叶片宽度。压力脉冲越尖锐，各谐波相对强度的差值就越小。叶片通过频率是叶片通过基频与其高次谐波频率的合成。在理论上，增加叶片数目可以相应地降低旋转噪声中的有效谐波数，即可以降低旋转噪声。如果叶片数目增加，则原来的奇次谐波成分将被去掉，一般情况下旋转噪声的声压级可降低3 dB。

风扇叶片在高速旋转时，周围空气在叶片后面产生快速涡流，这些涡流由于粘滞力作用分裂成一系列小涡流，这些涡流与涡流的分裂致使空气产生扰动，形成压力波，从而形成涡流噪声[13]。涡流噪声是宽频连续噪声，其频率可以表示为：

式中：Sr为斯脱罗哈尔数，一般Sr=0.14～0.20；v为气体与物体（叶片与其他障碍物）之间的相对速度；h为物体正表面宽度在垂直于速度平面上的投影。

风扇宽带噪声是由叶片表面和紊流的相互作用产生的随机脉动引起的。当气流进入风扇之前流经散热面、风机罩等表面时，就可能形成紊流，从而形成噪声源。叶片局部的旋涡脱落引起的噪声随叶片尾端厚度的增加而增加，且当前一个叶片脱落时产生的旋涡被后一个叶片撞击时会急剧增强。此外，风扇叶尖因存在间隙而产生旋涡，这种旋涡将在叶尖产生噪声[14]。

由式（2）可知，主要峰值频率与风扇叶片和气体的相对速度v成正比，由于旋转叶片上各点的圆周速度随着圆心距离的不同而连续变化，且涡流噪声是高速气流通过形状不规则物体时形成的，所以涡旋的形成、脱落以及排列是无规则和不稳定的，其频率成分往往呈现出无规则的宽带特性，在频谱上表现为连续谱。

2 冷却风扇噪声频谱试验

因显控台噪声情况比较复杂，噪声源分析常用的方法主要有主观评价法、分别运作法、近场噪声测试法和频谱分析法等。其中频谱分析是运用噪声源在频域内的特性，通过识别噪声的频率并分析噪声源的频率峰值对整体噪声的贡献幅度，确定主要噪声源，并对其制定降噪措施，以便有效降低噪声。

试验针对某型通用标准显控台按照国军标的要求，在室温25°C、相对湿度为69%、大气压力为101.3 kPa的环境下，使用传声器分别在风扇转速为2 000 r/min和1 000 r/min时，采集距离风扇1.5 m处的稳定噪声信号，运用B&K音频分析仪获得噪声频谱图，如图1和图2所示。

图1 风扇转速为2 000 r/min时距离风扇1.5 m处的噪声频谱

图2 风扇转速为1 000 r/min时距离风扇1.5 m处的噪声频谱

试验样机的风扇叶片数z= 10，谐波分量k= 1.05，根据式（1）计算风扇转速在2 000 r/min和1 000 r/min时，风扇旋转噪声的基频分别为f1=

由图1和图2可知，在风扇转速为2 000 r/min时，距离风扇1.5 m处冷却风扇噪声的基频352.48 Hz、二倍频704.96 Hz、三倍频1 055.91 Hz 和四倍频1 408.39 Hz 处都有明显的噪声峰值，对应噪声声压级分别为103 dB(A)，86.5 dB(A)，93.8 dB(A)和84.3 dB(A)。由此可见，在额定转速下，冷却风扇产生了显著的风扇噪声，各倍频下的噪声峰值都比较突出，而其余频段下的噪声频谱曲线比较均匀。在风扇转速为1 000 r/min时，距离风扇1.5 m处冷却风扇噪声的基频165.56 Hz、二倍频331.12 Hz、三倍频496.67 Hz和四倍频658.42 Hz处都有明显的噪声峰值，对应噪声声压级分别为78.4 dB(A)，63.7 dB(A)，65 dB(A)和68.6 dB(A)，除基频噪声峰值较高外，其余倍频的噪声峰值均在70 dB(A)以下。由此可见，风扇转速降低后，频谱图上风扇噪声的频率峰值明显减小，频谱曲线凹凸不平，风扇噪声被显控台的其余噪声所淹没，风扇噪声成为次要噪声源。

由上述分析可知：冷却风扇转速是影响风扇噪声的重要因素，当转速较高时，产生的噪声影响更加显著，风扇噪声是显控台的主要噪声源；当转速较低时，风扇噪声明显降低，风扇噪声成为显控台的次要噪声源。试验结果表明：冷却风扇高速旋转产生的空气动力噪声是显控台的重要噪声源，需对风扇噪声开展专项降噪控制。

3 冷却风扇噪声控制

风扇噪声控制的关键是使风扇具备良好的空气动力性能，这样不仅能提高风扇的效率，还能降低其噪声。控制冷却风扇噪声需从风扇的结构参数、性能参数和空间匹配参数入手，提出参数匹配的策略与方法，同时优化噪声传播的途径，达到控制冷却风扇噪声的目的。冷却风扇噪声控制技术路线如图3所示。

图3 冷却风扇噪声控制技术路线图

3.1 结构参数优化

3.1.1 轮毂比

在风扇设计过程中，轮毂比r是重要的结构参数，它对压强、流量和效率都会产生影响，其定义为：

式中：Dh为轮毂直径；Dt为叶轮外径。

轮毂比增加，则冷却风扇全压升高，风扇噪声增大；轮毂比减小，则叶片过长，影响风扇性能，也容易引起叶片的疲劳破坏。一般常用的轮毂比取0.3～0.45，显控台冷却风扇轮毂比优化值选取0.38。

3.1.2 风扇外径

风扇叶片外径会影响风扇的全压、流量，在风扇全压、流量、转速确定的情况下，风扇外径D可由式（4）确定：

式中：ku为统计经验数据；p为风扇全压；ρ为气体密度。

当风扇外径增大时，风扇的全压与流量也随之增加；当风扇外径不变时，低的转速会降低风扇的全压与流量，同时降低风扇噪声。综合考虑外形及安装条件，显控台冷却风扇外径选取72 mm。

3.1.3 叶片数量

风扇叶片数量取决于克服冷却系统所需的静压，在风扇轮毂比和叶弦长度b确定的情况下，风扇叶片数增加，则风扇静压和风量都会增加，噪声也会增大；风扇叶片数减少，则风扇每个叶片的载荷增加，会导致风扇的气动性能变差。为满足较大的风量要求，一般会适当增加叶片数，降低风扇转速，达到降低风扇噪声的目的。综合考虑显控台风扇的安装空间和叶片密度经验值，叶片数量取为9。

3.1.4 叶片安装角度

风扇叶片安装角度主要影响噪声的频谱组成，叶片夹角均匀分布的风扇，会产生声压级很高的频率峰值，而不等间距夹角的风扇能够有效降低风扇噪声频谱中的频率峰值，使风扇噪声的频谱变得平滑，同时又能保证风扇的空气动力性能。当风扇安装角度在30°至40°区间时，风扇的质量流率和噪声有较大的改善。显控台冷却风扇叶片安装角度优化后为36.5°。

3.1.5 叶片形状

风扇叶片的截面形状需充分考虑风扇的运转参数和气动性能，同时兼顾叶片强度。改进叶片形状，使叶片前缘适应气流冲角的变化，后缘尽量减少尾迹的影响，具有较好的流线型和合适的弯曲强度，这样不仅可减少涡流噪声，还可提高风扇的效率。

镰刀形叶片的横扫设计和薄后缘可以减少风扇漩涡的脱落，降低风扇的湍流，从而达到降噪的目的，同时镰刀形的大弦长和叶片表面相结合，使其在低速运转时产生更大的压力。镰刀形风扇具有噪声低、转速低、性能好、弦长长、可靠性高等优点。

3.1.6 叶弦长度

风扇叶弦长度对风扇的风量、静压和噪声都有影响，在相同供风量的情况下，低速宽叶风扇产生的噪声低，高速窄叶风扇消耗的能量增加约27%。优化后的显控台风扇叶弦长度为20 mm。

3.2 性能参数优化

3.2.1 风量

风量是指单位时间内流过风扇旋转截面的空气容积，在流速一定的情况下，增大风扇的旋转截面尺寸可以增加空气流量，带走更多的热量从而提高冷却效率，而风扇外径的最大值通常由安装空间决定，显控台在满配置工作条件下，热负荷对冷却风扇风量的要求为7.8 m3/s。

3.2.2 风扇静压效率

风扇在工作过程中需克服空气阻力等各种损失，导致风扇轴功率不能全部转化为风扇对空气的有效功率，风扇静压的有效功率与风扇轴功率之比定义为风扇静压效率。风扇静压效率代表了风扇内部流动品质的好坏，是风扇空气动力性能设计的主要指标，静压效率越高，能量损失越小，风扇的冷却性能就越好。

3.2.3 风扇的工作点

风扇在某一转速下所能发挥的性能称为风扇的工作点。显控台在满配置工作条件下功耗最大，发热量最多，为保证显控台性能的可靠性，选取满配置工作条件下的风量需求为风扇的工作点。

3.2.4 风扇性能曲线匹配

风扇性能曲线是指风扇静压、风扇轴功率、风扇效率与风量之间的关系曲线。风扇性能曲线匹配是否合理，关键在于风扇极限工作条件下提供的风量能否满足显控台的散热需求。先计算显控台满配置工作条件下的整机功耗，然后根据风扇性能拟合极限工作条件下风扇静压-系统阻力曲线的交点，获得某转速下的匹配流量，该流量能够满足显控台满配置工作条件下的散热需求，风扇匹配点下的工作效率最高。

3.3 空间匹配参数优化

3.3.1 风扇叶尖与护风圈间的径向间隙

风扇叶尖与护风圈间的径向间隙是影响风扇噪声的重要因素。风扇在高速运转过程中，护风圈内的压力低于大气压，高压气流通过叶尖径向间隙回流至低压区，与来流相冲撞，增加了流动阻力，降低了风扇的全压和风扇冷却效率，导致噪声增大。根据显控台风扇的空间安装位置和工作环境，并综合考虑风扇高速转动引起的变形，限定风扇叶尖与护风圈之间的径向间隙为10 mm。

3.3.2 风扇叶片伸入护风圈的位置

风扇叶片伸入护风圈的位置大小对通过风扇的风量有很大影响。若风扇叶片伸入护风圈内部过大，则风阻会增加，进气效率降低；若风扇叶片伸入护风圈距离过小，则风量不能全部进入护风圈，风扇的进气效率同样会降低。显控台选用吸风式风扇，叶片伸入护风圈内三分之二处效果较佳。

3.3.3 风扇与散热面间的距离

风扇与散热面间的距离过小，会导致气流分布不均匀，散热效率降低；风扇与散热面间的距离过大，不但容易产生涡流噪声，而且散热效率也会降低。经仿真测算，显控台风扇到散热面的最优距离为140 mm时获取的风量最大。

4 冷却风扇仿真优化

根据第3部分优化后的冷却风扇的结构参数、性能参数和空间匹配参数，形成风扇的优化设计方案，分别为该优化设计方案与原显控台安装的风扇的设计方案建立仿真模型，在声场中对比原设计方案与优化设计方案之间的差距。

首先运用PRO/E实体建模软件建立冷却风扇的实体几何模型，导入GAMBIT中划分网格，设定流体区域网格大小为8 mm，定义边界条件；然后将网格文件导入Fluent软件中，设置风扇转速为2 000 r/min，迭代步长为0.000 02 s，迭代步数为1 500；最后将Fluent软件中的模型导入LMS Virtual.Lab中，利用声学边界元法进行气动声学计算[15]，获得风扇叶片压力面噪声声压级云图和风扇在空间1.5 m处的球形声场的噪声声功率级频谱图。

4.1 风扇叶片压力面仿真分析

将风扇CFD稳定流场计算得到的时域脉动压力CGNS数据导入LMS Virtual.Lab中，定义声学网格与CFD网格之间的映射关系，通过LMS Virtual.Lab计算风扇叶片压力，得到风扇叶片上不同时刻的噪声声压级，如图4和图5所示。

图4 原风扇叶片噪声声压级云图

图5 优化后风扇叶片噪声声压级云图

由图4和图5可知：风扇叶尖尾缘区域有明显的红色噪声极值区域，在同一叶面上，高低压差促使气流扰动产生涡流，而涡流内部、涡流与风扇叶片之间相互作用会产生宽频噪声；风扇气流从叶根到叶顶的变化呈连续性，涡旋的形成、脱落以及排列呈无规则的不稳定性，涡流噪声呈现出连续宽频特性。

观察所有时刻风扇叶片的压力脉动变化，风扇在稳定状态下运转，风扇叶片的压力分布基本稳定，原风扇叶片压力面的高噪声区分布面积较大，且噪声极值较大，优化后风扇叶片压力面的噪声分布面积较小，噪声值低2～5 dB。

4.2 气动声学响应计算及分析

运用声学边界元法导入风扇噪声源计算数据，建立以原点为圆心、半径为1 500 mm的球面场点，定义风扇源（包括风扇的转速、叶片数），计算风扇噪声源的声场分布，查看球面声场上的叶片通过频率及其谐波分量（前15阶）的声功率级，如图6和图7所示。

图6 原风扇球面场点各频率噪声声功率级

图7 优化后风扇球面场点各频率噪声声功率级

由图6和图7可知，优化后冷却风扇方案各频率点声压级和声功率级较原方案均有不同程度的降低。冷却风扇原选型方案各阶通过频率段的噪声声功率级峰值均较高，其100～6 000 Hz范围内的声压级为101.4 dB(A)、声功率级为120.9 dB(A)；优化后冷却风扇1.5 m球形场点各频率段的声压级和声功率级较低，分别为93.5 dB(A)和108.9 dB(A)，比原选型风扇在1.5 m处球形声场场点的声压级和声功率级分别低6.6 dB和12 dB，冷却风扇优化效果明显。

5 结束语

由显控台冷却风扇噪声频谱试验可知：风扇转速是影响冷却风扇噪声的重要因素，风扇转速越大，噪声就越显著，风扇高速旋转产生的空气动力噪声是显控台的重要噪声源。冷却风扇性能参数曲线优化匹配是一项复杂的系统工程，涉及风扇静压、风扇轴功率、风扇效率和风量等方方面面，还需结合显控台实际工况下的需求展开深入研究，进一步获得冷却风扇的最佳匹配点。

本文采用频谱试验的方法识别了影响冷却风扇噪声的主要因素，建立了冷却风扇噪声控制技术路线，分别从冷却风扇结构参数、性能参数和空间匹配参数方面进行了优化改进，最后通过声学仿真分析的方法验证了优化改进措施的有效性。

本文建立的冷却风扇噪声控制技术路线和频谱试验识别主要噪声源的方法，可为其他工程设备噪声源识别和噪声控制提供参考和借鉴。控制显控台冷却风扇噪声还需从冷却系统参数匹配、合理选择冷却风扇参数、改进冷却系统结构等方面逐一分析，循序改进，达到降低噪声的目的。