风机气动噪声设计与仿真

本书是作者在风机气动噪声设计与仿真领域实践及相关研究成果的总结。书中将风机气动噪声设计涵盖的数学基础、湍流理论和噪声理论相结合，并融合相关案例，分6章分别介绍了数学基础、风机基础、湍流和漩涡、气动噪声、混合 CAA方法应用、直接CAA方法应用。本书注重内容的系统性与实用性，书中翔实的风机设计仿真过程及风机气动噪声结果分析案例为读者提供了学习、掌握相关知识的思路与方法，以及相关问题的解决方案。
本书可供从事风机气动噪声设计与仿真的技术人员使用，也可供高等院校相关专业的教师、研究生及高年级本科生参考。

前　　言
风机看似是一种小众产品，很多人甚至对风机都没有概念。风机又是一种常见的产品，已广泛应用于工厂、矿井、隧道、冷却塔、车辆、船舶和建筑物等的通风、排尘和冷却，锅炉和工业炉窑的通风和引风，空气调节设备和家用电器设备中的冷却和通风，谷物的烘干和选送，风洞风源和气垫船的充气和推进等。某些风机物美价廉，例如市场上甚至几十元钱就可以买到一个小风扇，某些风机又价值不菲，例如风力发电机和航空发动机中的风机。因风机涉及旋转机械、空气动力学、气动声学等复杂学科的交叉，故具有多种复杂的属性，从而导致难以在工程与科研领域对其建立固定的研究方法。
风机主要是运送空气的搬运工，长久以来风机的主要参数不外乎运送空气的能力和效率。随着人们对生活和工业产品舒适性要求的逐渐提升，风机气动噪声性能越来越成为风机价值的核心。气动噪声是看不见摸不着的，而且在不同的工作环境和安装条件下，风机气动噪声表现的频谱分布往往是天壤之别，因此，很难通过大规模试验测试得到风机气动噪声的机理以及精确的预测方法。风机作为一种旋转机械，研究其气动噪声需要熟练掌握空间坐标变换、湍流理论以及气动噪声基础。虽然近年来随着计算机计算能力的显著提高，各学科相应发展出诸多仿真计算软件，但是工程实践中仅熟悉各种仿真软件的操作流程还难以解决风机气动噪声问题，究其原因主要是风机气动噪声变化多端，解决风机气动噪声问题也离不开对相关理论的深度
掌握。
“形而上者谓之道，形而下者谓之器”是目前风机噪声领域主要存在的两类研究思路。形而上者推崇理论推导得到的风机噪声属性分布，但是忽略了相关理论推导不可避免地要采用种种假设。例如常见的莱特希尔声类比方法或者声扰动方程推导，以及数学计算方法都离不开各种巧妙的简化和假设。形而下者则采用试验测试或者通过仿真软件的计算结果来预测风机噪声，但是由于风机噪声的变化莫测往往导致噪声频谱分布特性实测结果与经验或者仿真结果大相径庭。以上两类认知均有其局限性，风机气动噪声的变化多端需要相关研究人员在形而上的“道”和形而下的“器”之间采取动态平衡，二者兼顾。但是科研技术人员往往很难精通跨学科的湍流或者声学理论，目前市场上各种优秀的商业仿真软件也并没有非常清晰的风机气动噪声仿真流程。
作者总结多年从事风机气动噪声设计、仿真和测试制造等相关的研究成果与实践经验，编写了本书，旨在用通俗易懂的方式讲解风机气动噪声设计涵盖的主要理论，用翔实精细的案例操作来展示风机气动噪声仿真软件的最佳实践，希望可以为风机研发技术人员提供全面的技术参考教程，帮助风机研发、管理人员更全面地了解风机技术。
全书共6章，第1章数学基础，主要介绍空间变换和几种数学求解方法；第2章风机基础，主要介绍从简单的翼型角度进行复杂的风机设计和噪声分类；第3章湍流和漩涡，主要介绍流体力学建模思路和风机流场仿真常用的湍流模型；第4章气动噪声，讲述目前工程上常用的气动噪声理论、噪声预测方法以及相关应用实践和优缺点；第5章混合CAA方法和第6章直接CAA方法基于轴流风机案例，分别介绍了混合气动噪声仿真和直接气动噪声仿真软件操作和仿真结果分析。其中第6章参照PowerFlow标准分析流程，相关物理量采用无量纲方式描述物理量大小，并用[dimless]表示。
本书的编写得到了同事和朋友的帮助，在此表示诚挚的谢意。特别感谢陈翔鹰教授多年来对本人在湍流理论和数学求解方法方面的熏陶，感谢刘文先生、毛研伟先生和吴璟枢先生对本人气动噪声仿真技能的指导。由衷地感谢作者所在公司（联合技术研究中心（中国）有限公司、特灵科技亚太研发中心和达索析统（上海）信息技术有限公司）为员工发展提供了良好的平台和氛围，感谢家人的全力支持和悉心照顾。
由于作者水平有限，本书不足之处恳请广大读者批评指正。

胡良波
于杭州畔上居

目　　录

　 前言
第1章　数学基础
1.1　坐标系 2
1.1.1　直角坐标系 2
1.1.2　圆柱坐标系 2
1.1.3　球坐标系 2
1.1.4　空间坐标变换 3
1.1.5　时频变换 3
1.2　矩阵和张量 4
1.2.1　矩阵是什么 4
1.2.2　应力张量 6
1.3　数学求解方法 7
1.3.1　微分方程 7
1.3.2　格林函数 10
1.3.3　无穷级数 15
1.3.4　傅里叶变换 18

第2章　风机基础
2.1　翼型理论 24
2.2　翼型噪声分类 26
2.2.1　边界层噪声 26
2.2.2　叶尖噪声 29
2.2.3　尾缘噪声 31
2.3　旋转机械 32
2.3.1　欧拉公式 32
2.3.2　叶片设计方法 34
2.4　风机性能曲线 42
2.5　风机噪声分类 43
2.5.1　风机来流噪声 44
2.5.2　风机翼型噪声 45
2.5.3　风机叶尖噪声 48

第3章　湍流和漩涡
3.1　经典流体力学 50
3.1.1　无黏流体方程 51
3.1.2　黏性流体方程 54
3.1.3　边界层方程 56
3.2　分子动理论 58
3.2.1　粒子动力学 58
3.2.2　压力和速度 59
3.2.3　分布方程 60
3.2.4　玻耳兹曼方程 61
3.3　湍流求解 64
3.3.1　雷诺平均模型 64
3.3.2　大涡模拟模型 66
3.3.3　分离涡模型 69
3.4　漩涡 70

第4章　气动噪声
4.1　振动和波动 73
4.1.1　简谐振动 73
4.1.2　一维波动方程 75
4.1.3　空间声波方程与求解 77
4.1.4　湍流波和声波 79
4.2　气动噪声声类比方法 80
4.2.1　声类比方法 80
4.2.2　涡声理论 82
4.2.3　声类比方法求解 83
4.3　气动噪声预测技术 84
4.3.1　翼型噪声分类求和 86
4.3.2　流场仿真物理量判定 86
4.3.3　混合CAA 方法 87
4.3.4　直接CAA 方法 88

第5章　混合CAA方法应用
5.1　轴流风机建模 90
5.1.1　子午面定义 91
5.1.2　叶片角定义 94
5.1.3　叶片厚度定义 100
5.1.4　叶片模型输出 101
5.1.5　风机模型制作 104
5.2　流场仿真计算 104
5.2.1　网格划分 105
5.2.2　稳态计算 114
5.2.3　瞬态计算 121
5.2.4　流场结果 127
5.3　声场仿真计算 135
5.3.1　声学建模 135
5.3.2　声传播求解 140
5.3.3　声学后处理 154
5.3.4　声学结果对比 158


第6章　直接CAA方法应用
6.1　软件介绍 162
6.2　算例设置 165
6.2.1　公式脚本 166
6.2.2　软件设置 169
6.3　结果分析 175
6.3.1　平均流场分布 175
6.3.2　瞬态流场分布 178
6.3.3　声学统计分析 181
6.3.4　噪声源分析 187
参考文献 192