風(fēng)機(jī)作為一種輸送空氣的葉輪機(jī)械，被廣泛的應(yīng)用于航空、煤炭、電力、冶金、電子、汽車、空調(diào)等工業(yè)生產(chǎn)和日常生活領(lǐng)域。各類風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中都會(huì)發(fā)出噪聲，從而影響周圍的環(huán)境。噪聲污染與空氣污染、水污染不同，它造成人的煩惱不安是暫時(shí)的，就是特別強(qiáng)的噪聲（90dB以上）也是需要連續(xù)長(zhǎng)期暴露才會(huì)使聽力受損，所以在以往并不被重視。隨著生活質(zhì)量的逐步提高，現(xiàn)在人們開始越來(lái)越多的關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，特別是在空調(diào)、汽車、家用電子產(chǎn)品方面，對(duì)于風(fēng)機(jī)的噪聲輻射指標(biāo)要求越來(lái)越趨嚴(yán)格。另外，在某些場(chǎng)合下，風(fēng)機(jī)噪聲所帶來(lái)的問(wèn)題是非常嚴(yán)重的，比如礦井通風(fēng)用的對(duì)旋風(fēng)機(jī)，很多時(shí)候發(fā)出的噪聲之強(qiáng)甚至掩蓋了井下警報(bào)器發(fā)出的聲音，從而帶來(lái)嚴(yán)重的生產(chǎn)安全隱患；再比如電子產(chǎn)品的集成度在過(guò)去的十年內(nèi)增加了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，伴隨而來(lái)的是強(qiáng)大的發(fā)熱量和對(duì)散熱風(fēng)扇的急需，為了充分散熱，現(xiàn)在一臺(tái)PC電腦的主機(jī)箱里面通常會(huì)有4至5臺(tái)小型的軸流散熱風(fēng)扇在同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，一個(gè)中等并行機(jī)機(jī)群在工作時(shí)由冷卻風(fēng)扇所發(fā)出的噪聲已經(jīng)到了讓人難以忍受的地步。降低風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的各類噪聲，是改善人居環(huán)境，減少噪聲污染的迫切要求。
風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生有兩方面的原因，一是機(jī)械振動(dòng)噪聲，二是氣流噪聲。隨著機(jī)械加工和裝配精度的提高，目前的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品機(jī)械振動(dòng)噪聲很小，氣流噪聲成為了主要的噪聲源。盡管聲學(xué)的研究起步很早，在19世紀(jì)末已經(jīng)發(fā)展成熟，Rayleigh發(fā)表的《The Theory of Sound》二卷集巨著被聲學(xué)界視為經(jīng)典。但是對(duì)于氣流致聲的研究卻是上個(gè)世紀(jì)50年代由Lighthill首先開創(chuàng)的。自那時(shí)起，一門新的學(xué)科——氣動(dòng)聲學(xué)（Theory of Aero-acoustics）被建立，包括Curle，Powell，F(xiàn)fowcs，Howe等在內(nèi)的一批大師，在這一領(lǐng)域做出了的貢獻(xiàn)，向人們揭示了流動(dòng)與聲之間的物理。根據(jù)這些理論，氣動(dòng)噪聲可分為三種類型：?jiǎn)螛O子噪聲、偶極子噪聲和四極子噪聲。對(duì)于風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，單極子噪聲也稱為葉片厚度噪聲，它是由于旋轉(zhuǎn)的葉片具有一定厚度，空氣被周期性的排開和吸入，產(chǎn)生聲輻射；偶極子噪聲也稱為葉片力噪聲，它是由于葉片固壁表面的壓力脈動(dòng)所產(chǎn)生的；四極子噪聲也稱為湍流噪聲，它是由于湍流邊界層，尾跡區(qū)的湍流脈動(dòng)，分離流動(dòng)等等流體內(nèi)部的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的。如果按照噪聲的頻譜分類，則又可分為離散噪聲（Tonal Noise）和寬帶噪聲（Broadband Noise），前者通常由于葉輪周期性旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子和定子存在周期性的動(dòng)靜干涉作用，從而向外輻射噪聲，這類噪聲頻譜存在明顯的離散譜線，一般與葉片通過(guò)頻率（BPF）有很大關(guān)系；而寬帶噪聲則是由于湍流脈動(dòng)引起，頻譜很寬，可以一直到104Hz量級(jí)，不存在明顯的離散譜線。
相對(duì)風(fēng)機(jī)的離散噪聲研究來(lái)說(shuō)，寬帶噪聲的機(jī)理研究和噪聲預(yù)測(cè)是相當(dāng)困難的，其直接原因就是人們目前對(duì)于湍流流動(dòng)本身的物理機(jī)制尚不*清楚，從而極大限制了湍流噪聲的研究進(jìn)展。但是從工業(yè)應(yīng)用角度來(lái)看，絕大多數(shù)風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，流動(dòng)雷諾數(shù)大都在106量級(jí)以上，均為湍流流動(dòng)，湍流寬帶噪聲的存在是相當(dāng)普遍的，所以對(duì)湍流噪聲的研究實(shí)際上是無(wú)法回避的。風(fēng)機(jī)湍流噪聲的研究難度還有來(lái)自另外一方面的原因，不同的風(fēng)機(jī)產(chǎn)品在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是*不同的，而流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)的特點(diǎn)，直接決定了風(fēng)機(jī)噪聲的類型和強(qiáng)弱，所以除了需要對(duì)湍流噪聲的機(jī)理做深入研究外，要預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)噪聲，勢(shì)必需要對(duì)風(fēng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)本身做深入研究，但是由于這類流動(dòng)邊界過(guò)于復(fù)雜，流動(dòng)又是高度旋轉(zhuǎn)的，所以同樣具有相當(dāng)難度。
對(duì)于風(fēng)機(jī)氣流場(chǎng)本身的研究已經(jīng)有上百年的歷史了。在設(shè)計(jì)理論方面，20世紀(jì)初德國(guó)學(xué)者Eck在總結(jié)前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上完成了《Fans》一書，成為風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的經(jīng)典參考著作。Eck的思想是將風(fēng)機(jī)內(nèi)復(fù)雜的三維流動(dòng)通過(guò)各種假設(shè)，簡(jiǎn)化為二維甚至一維的流動(dòng)，采用無(wú)粘不可壓理想流動(dòng)理論，可以推導(dǎo)出一系列非常實(shí)用的公式。Eck的設(shè)計(jì)方法獲取了的成功，可以說(shuō)從Eck以后，風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的方法本質(zhì)上再?zèng)]有發(fā)生大的變化。在實(shí)驗(yàn)方面，二戰(zhàn)期間航空翼型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)風(fēng)機(jī)的葉片設(shè)計(jì)提供了大量數(shù)據(jù)，此后，隨著LDV和PIV技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對(duì)風(fēng)機(jī)內(nèi)三維粘性流場(chǎng)的流動(dòng)細(xì)節(jié)進(jìn)行過(guò)許多仔細(xì)的觀測(cè)，得到了不少重要且有益的結(jié)論，從而給風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)乃至噪聲的產(chǎn)生機(jī)制提供了很好的研究基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)水平的不斷提高，在二十世紀(jì)的zui后二十年，人們開始越來(lái)越多的采用數(shù)值模擬的方法研究流動(dòng)問(wèn)題。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，簡(jiǎn)稱CFD）應(yīng)用于葉輪機(jī)械的流場(chǎng)模擬，已經(jīng)有二十多年的歷史了。傳統(tǒng)的CFD方法在求解風(fēng)機(jī)的湍流流動(dòng)問(wèn)題時(shí)，都是采用低階的湍流模式理論。經(jīng)驗(yàn)表明，采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模式等低階湍流模式進(jìn)行定常或準(zhǔn)定常的計(jì)算，在預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)湍流場(chǎng)氣動(dòng)性能總體參數(shù)方面是非常有效的。但是在模擬局部的流動(dòng)細(xì)節(jié)上，仍然缺乏足夠的精度。另外在工況比較惡劣的情況下，這些低階模式定常計(jì)算的結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況相差很大。
對(duì)于風(fēng)機(jī)噪聲的研究，目前尚不成熟，且研究大都集中在風(fēng)機(jī)離散譜噪聲的預(yù)測(cè)和風(fēng)機(jī)噪聲的控制等方面。所用的基本方法，仍然是Lighthill在50年代提出的聲比擬理論。而湍流噪聲的研究則處于剛剛起步的狀態(tài)。隨著計(jì)算條件的不斷改善，現(xiàn)在一些學(xué)者也嘗試通過(guò)直接數(shù)值模擬（Direct Numerical Simulation，簡(jiǎn)稱DNS）等手段研究一些簡(jiǎn)單邊界下湍流噪聲的問(wèn)題，但是即使是這樣，對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的預(yù)測(cè)，仍然只能采用Lighthill的聲擬理論。另一方面，計(jì)算聲學(xué)（Computational Aero-acoustics，簡(jiǎn)稱CAA）作為20世紀(jì)zui后二十年誕生的一門新學(xué)科，正在蓬勃發(fā)展，目前可以直接求解較低雷諾數(shù)下的近場(chǎng)聲場(chǎng)。但是這些研究距離工業(yè)應(yīng)用尚有很大差距。因?yàn)槟壳暗挠布l件尚不足以模擬大雷諾數(shù)下的實(shí)際流動(dòng)。而且可以預(yù)見，在未來(lái)的20年內(nèi)，采用計(jì)算聲學(xué)的方法仍然無(wú)法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)湍流噪聲的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)
：張京亮（工程師、）
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