Исследование характеристик воздушной среды в области рабочего колеса электровентилятора. Определение причин воздушного шума

В данной статье описаны исследования воздушной среды в области рабочего колеса электровентилятора построенного с помощью пакета программного обеспечения Solid Works.

Ключевые слова: гидрогазодинамика, воздушный шум.

Гидрогазодинамика изучает движение жидкости и газа под действием различных сил. Как наука, она имеет несколько составных частей. В частности, гидродинамика и аэродинамика, в отличие от газодинамики, рассматривают такие процессы, в которых можно не учитывать влияние сжимаемости газов. Так как гидрогазодинамика опирается на общие законы механики, ее часто называют механикой жидкости и газа и считают составной частью более общей науки — механики сплошной среды.

Значение гидрогазодинамики в нашей жизни очень велико. Ее законы и методы применяют при решении многих инженерных задач. Гидрогазодинамику можно назвать базовой теоретической дисциплиной для обширного круга прикладных наук, с помощью которых исследуются процессы в теплоэнергетических и теплотехнологических установках, решаются важные практические задачи, связанные с работой паровых и газовых турбин, транспортом жидкостей и газов по трубопроводам. [5]

Многие задачи гидрогазодинамики решаются на основе модельных экспериментов. В связи с этим возникает проблема построения моделей, подобных реальным течениям жидкостей. Два явления считаются подобными, если по известным характеристикам одного можно получить соответствующие характеристики другого простым пересчетом с использованием масштабных коэффициентов. [3]

Рассмотрим более детально характеристики воздушной среды в области рабочего колеса электровентилятора и определим причины возникновения воздушного шума в окрестности лопастей.

Расчёты проведены для различных скоростей вращения в сечении на сходе с лопаток, в сечении лопаток, примерно посередине рабочего колеса, и в сечении на входе потока воздуха в лопатки. В качестве расчётных параметров выбраны скорость среды (м/с), градиент скорости (1/с), динамическое давление (Па) и относительное давление (Па). Для примера на рисунке 1 приведена эпюра скоростей потоков воздуха в сечении на сходе с лопаток вентилятора при скорости вращения 2900 об/мин.

Рис. 1. Эпюра скоростей потоков воздуха в сечении на сходе с лопаток при скорости вращения 3000 об/мин.

Таблица 1

Результаты расчетов сечений вентилятора

Из таблицы 1 следует, что такие параметры как скорость потоков среды и градиент скорости имеют линейную зависимость от скорости вращения рабочего колеса во всех трёх сечениях. Квадратичную зависимость в этих же сечениях имеют параметры динамического и относительного давления.

С помощью пакета программного обеспечения Solid Works проводились расчёты нескольких видов турбулентностей в указанных сечениях рабочего колеса вентилятора, но все они имеют линейную зависимость от скорости вращения.

Таким образом, параметров, значения которых имели бы кубическую зависимость от скорости вращения рабочего колеса вентилятора, не выявлено. Максимум что имеется, так это зоны с квадратичной зависимостью величин изменения давлений в среде, окружающей рабочее колесо. Следовательно, остаётся предполагать, что основной причиной возникновения воздушного шума от вентилятора являются зоны изменения в окрестности лопастей давлений рабочей среды, имеющих квадратичную зависимость от скорости вращения вентилятора. А кубическую зависимость воздушному шуму придаёт перемещение в пространстве зон изменяющегося давления со скоростью вращения лопастей.

Сравнив значения параметров между сечениями на сходе с лопаток, в сечении лопаток и на входе в лопатки было выявлено, что значения максимальной скорости, градиента скорости и динамического давления являются величинами примерно одного порядка. А величины относительного давления (более показательным является перепад между максимальным и минимальным значениями относительного давления) в сечении на входе в лопатки значительно (в разы) больше, чем в других сечениях. Так, на режимах 3000 об/мин и 5000 об/мин перепад относительного давления на входе в лопатки в 6,6–7,0 раза больше, чем в сечении на сходе с лопаток, и в 2,3–2,4 раза больше, чем в сечении лопаток.

Вывод: основной причиной возникновения воздушного шума являются изменение давления рабочей среды в окрестности лопастей, а зона на передней кромке лопасти, имеющая максимальный перепад давлений является местом, определяющим шумоизлучение вентилятора.

Литература:

1. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А.А, Алямовский, А. А. Собачкин, Е. В. Одинцов, А. И. Харитонович, Н. Б. Пономарев — СПб.: БХВ-Петербург, 2008. — 1040 с.
2. SolidWorks практическое руководство/ В. П. Прохоренко — Москва: Издательство БИНОМ 2014. — 447 с.
3. Основы гидродинамики: учебное пособие / С. Д. Чижиумов — Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007. — 106 с.
4. Доводка акустических характеристик осевого вентилятора на основе гидродинамического анализа / А. А. Пшненицын, А. Ю. Спиридонов, М. А. Добронравов, А. Н. Зайцев — Центр технологии судостроения и судоремонта (Санкт-Петербург), Судостроение, 2018, № 2.
5. Основы гидрогазодинамики: учебное пособие / В. А. Кузнецов. — Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. — 108 с.