CN111640412B - 一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法 - Google Patents

一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，借鉴风洞设计理论经验、空气动力学、气动声学的基础，在原有的吸气式低速直流风洞基础上，风机管道内来流方向加装消声器，消声器和风洞原有管道采用密封橡胶圈结合卡套连接的方式软连接，风洞利用两支撑架固定后，施工时仅需将原试验段后移，并将卡件固定在定位槽中，高效率的完成风洞扩散段与收缩段拆卸，避免了大范围的移动性施工。同时通过软连接及加装阻尼减振器，进一步减小振动噪声。利用本发明方法，风洞改造的整体工作量减轻，且施工时的所需工具较少，难度较低，同时较低的改造成本及较少的基建面积对低速风洞设计及推广使用，具有较强的实用价值和实际意义。

Description

一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法
技术领域
本发明涉及风洞改造及优化领域，特别涉及一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法
背景技术
风洞是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具，同时风洞试验也是开展气动噪声产生机理研究的重要手段，也是验证气动降噪优化设计最直接、有效的方法。
在现有技术中，空气动力学研究中许多问题无法通过数值模拟计算出精确的结果，需要借助模拟真实环境的实验进行研究分析，确保结论真实可靠。因此低速风洞建设对国家的工业的发展意义重大。考虑到声学风洞造价高，设计难度大，除大型国有科研院所外，国内风洞一般以成本较低，占地空间较小的直流低速风洞为主，但此类风洞几乎都以气动性能试验为目标，甚少涉及气动声学领域，风洞噪声都在90dB以上，不适合气动噪声实验，通过实验来研究这种气动力噪声的产生、发展和传播的规律，在当今社会具有较为实用意义。而此类风洞设备改造国内外研究较少，为此现阶段急需要一套具备高可靠性、成熟性、低噪声的适用于吸气式直流低速风洞降噪处理方法，在提供有效的安全保障措施的基础上，获得气动特性及声学特性的精确测量数据。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，解决小型直流风洞噪声较大的技术问题。
本发明的目的是这样实现的：一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，包括以下步骤：
(1)依据需降噪处理的直流风洞，获取风洞具体参数；
(2)上电开启风洞，利用热线风速仪测试降噪处理前的风洞试验段的实际流场，并利用麦克风测试降噪处理前的风洞试验段的声场情况，完成处理前流场测试；
(3)测试完毕，拆卸风洞并加装支撑架，并在扩散段洞壁加装吸声棉；
(4)在风洞的动力段前方即风机来流方向加装进风消声器，进风消声器安装在风洞扩散段与试验段之间，在风洞的动力段后方即风机出口方向加装排风消声器，且两消声器均进行同轴调整，利用橡皮胶条使消声器与风洞原有管道软连接；
(5)支撑架利用螺栓紧固连接在地面，拆卸卡件及定位槽，并在风洞扩散段支撑架加装阻尼弹簧减振器；
(6)风洞动力段加装隔声吸音墙体结构，构建隔音室；
(7)降噪处理后风洞安全性检查包括：连接螺栓有无松动；检查风机底座与风洞的固定螺栓有无松动；风机底座各支撑连接杆螺栓有无松动；检查电气设备连接是否正常；检查风洞管道中是否有异物存在；
(8)重复步骤(2)，开启风洞，利用热线风速仪测试降噪处理后的风洞试验段的实际流场情况，利用麦克风测试降噪处理后的风洞试验段及隔音室实际声场情况完成流场校测工作；
(9)检验是否达到风洞设计任务书规定的各项指标，并编写流场校测大纲。
作为本发明的进一步改进，所述利用热线风速仪测试风洞试验段的实际流场，并利用麦克风测试风洞试验段的声场情况，包括测试风洞来流的湍流度、均匀性情况、噪声分贝数，具体包括以下步骤：
(1)启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至最大风速的1/3、1/2、2/3时，以试验段毕托管测得风速为参考，设定热线采样频率，采集风洞试验段中心测点的瞬时风速，重复3次取均值作为试验数据，单次采样长度≥10秒，采样速率≥1000次/秒，计算风洞内流场湍流度；
(2)启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至3、5、7、9…直至风洞最大风速，以试验段毕托管测得风速为参考，设定热线采样频率，采集风洞试验段中心截面80％宽度内均匀布置的16个测点的瞬时风速，重复3次取均值作为试验数据，单次采样长度≥10秒，采样速率≥1000次/秒，计算风洞内流场均匀性；
(3)启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至5、10、15…直至风洞最大风速，以试验段毕托管测得风速为参考，采用A级声级计麦克风，测试风洞试验段及实验室外的噪声水平。
作为本发明的进一步改进，步骤3中所述拆卸风洞并加装支撑架，具体包括：在需拆卸的截面位置两端，即风洞扩散段与收缩段分别安装有收缩段支撑架、扩散段支撑架，所述收缩段支撑架、扩散段支撑架安装时避开风洞管壁上强电线管，收缩段支撑架、扩散段支撑架底端与地面相接触，其中收缩段支撑架下方安装有可沿风洞轴向移动的卡件，并设计定位槽；拆卸风洞收缩段与地面的螺栓紧固件；驱动所述收缩段支撑架沿风洞轴向滑动，直至扩散段与收缩段之间间距略大于排风消声器的轴向距离，利用卡件使收缩支撑架固定，完成风洞扩散段与收缩段拆卸。
作为本发明的进一步改进，所述收缩段支撑架和扩散段支撑架均采用钢制栅条，所述钢铁栅条之间通过角铝固定连接，所述收缩段支撑架前部和扩散段支撑架中部均有一组45度的斜置栅条，所述收缩段支撑架和扩散段支撑架竖直方向均有两列钢制栅条，所述收缩段支撑架和扩散段支撑架的两列钢制栅条宽度与风洞试验段宽度一致，所述收缩段支撑架和扩散段支撑架上方栅条均与风洞管道的底部相连接，所述扩散段支撑架顶部与收缩段支撑架顶部相对地面水平，所述扩散段支撑架与地面接触处安装阻尼弹簧减振器。
作为本发明的进一步改进，所述吸声棉横截面下部呈梯形，上部分为截面呈圆弧形的锯齿形式，顶部为120°的扇形，所述吸音棉底部通过高密度胶水与消声器内壁无空隙贴合。
作为本发明的进一步改进，所述进风消声器为两边有开口的长方体结构，尺寸由风洞试验段的横截面决定，长宽高分别为：3D*2D*2D，D为风洞试验段横截面宽度，所述进风消声器两端均有钢制缩口管道，一端与风洞试验段的出口软连接，另一端与试验风洞的扩散段软连接；所述排风消声器为两边有开口的长方体结构，尺寸由风洞动力段的横截面决定，长宽高分别为：2H*1.33H*1.33H，H为风洞动力段横截面宽度，所述排风消声器一侧安装有钢制缩口管道，另一侧敞开；所述钢制缩口管道的形状利用维氏曲线公式进行设计；所述排风消声器和进风消声器的内部即气流管道内的内壁纵向安装有多个钢制片式吸声器，片内填充聚酯纤维的吸声棉。
作为本发明的进一步改进，步骤4中所述消声器与风洞原有管道软连接，所述管道两侧留有空隙，管道通过弹性密封橡胶圈连接，所述弹性密封橡胶圈外部缠绕有两个金属卡条，所述两个金属卡条通过金属卡件焊接固定。
作为本发明的进一步改进，所述隔音室内底部采用原地面，隔音室的其他五个面均为五层结构墙体，所述隔音室无隔音门及隔音窗，隔音室墙体内外层为钢板，隔音室墙体中间夹层设置有吸音棉，所述隔音室上设有过线孔，外部信号线经过线孔引入隔音室内，所述过线孔采用橡胶材料进行密封。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明方法在原有的低速直流风洞的基础上进行降噪改进，为满足风洞低噪声要求，根据低速风洞的结构特性及频率特性，采用风洞管道内部吸声材料及消声器，风洞试验段加装隔声间的形式，对风洞动力段及试验段进行小范围的噪声控制，综合考虑成本及安装环境，安装过程简单，施工现场污染较少，方便在空间有限的风洞实验室直接进行，是一种高效便捷的降噪措施，为直流风洞低噪声改进设计提供参考。
附图说明
图1为本发明改造前风洞俯视示意图。
图2为本发明改造后风洞侧视示意图。
图3为本发明风洞扩散段与收缩段支撑架结构示意图。
图4为本发明扩散段洞壁加装的锯齿形式吸声棉示意图。
图5为本发明的排风消声器结构示意图。
图6为本发明的消声器内部截面图。
图7为本发明消声器和风洞原有管道软连接处弹性密封橡胶圈示意图。
其中，1风洞收缩段，2风洞试验段，3进风消声器，4风洞扩散段，5隔音室，6风洞动力段，7排风消声器，8收缩段支撑架，9扩散段支撑架，10阻尼弹簧减振器，11卡件，12定位槽，13弹性密封橡胶圈，14、15金属条，16、17金属卡件，18片式吸声器。
具体实施方式
结合图1至图7，以一吸气式低速直流风洞为例，一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，包括以下步骤：
(1)依据需降噪处理的直流风洞，获取风洞具体参数：利用分析噪声源及获取风洞具体尺寸，噪声源包括：风机系统噪声主要由机壳噪声、风口噪声以及设备振动辐射的结构声；风洞风机工作时，风机叶片周期性地脉动作用产生的以低频宽带和中频宽带为主旋转噪声；及气流通过风洞管道内阻尼网的气动噪声；风洞具体尺寸包括：风洞试验段尺寸：0.4m*0.4m*1m，风机动力端横截面长度0.75m，最大风速50m/s，
(2)上电开启风洞，利用热线风速仪测试降噪处理前的风洞试验段的实际流场，并利用麦克风测试降噪处理前的风洞试验段的噪声情况，完成处理前流场测试工作；具体包括：
1、启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至25m/s时，以试验段毕托管测得风速为参考，设定热线采样频率5kHz，采集风洞试验段中心测点的瞬时风速，重复3次取均值作为试验数据，单次采样长度30秒，利用计算风洞内流场湍流度；
式中，i＝1,2,3表示x，y，z三个方向，σ表示湍流风速脉动分量的均方根值，表示平均风速。
2、启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至3、5、7、9…直至50m/s，以试验段毕托管测得风速为参考，设定热线采样频率5kHz，采集风洞试验段中心截面30cm宽度内均匀布置的16个测点的瞬时风速，，重复3次取均值作为试验数据，单次采样长度30秒，采样频率5kHz，计算风洞内流场均匀性，利用计算风洞内流场均匀性；
式中，Uj表示第j个采样点的速度值，表示平均风速，n为采样点数。
3、启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至5、10、15…直至50m/s，以试验段毕托管测得风速为参考，采用A级声级计麦克风，测试风洞试验段及实验室外的噪声水平。
(3)测试完毕，拆卸风洞并加装支撑架，并在扩散段洞壁加装吸声棉；
具体包括：拆卸风洞并加装支撑架：在需拆卸的截面位置两端，即风洞扩散段4与收缩段1分别安装有收缩段支撑架8、扩散段支撑架9，收缩段支撑架8和扩散段支撑架9安装时避开风洞管壁上强电线管，收缩段支撑架8和扩散段支撑架9底端与地面相接触，其中收缩段支撑架下方安装有可沿风洞轴向移动的卡件11，并设计定位槽12；拆卸风洞收缩段1与地面的螺栓紧固件；驱动收缩段支撑架8沿风洞轴向向后滑动，直至扩散段4与收缩段1之间间距略大于排风消声器的轴向距离5cm左右，利用卡件23使收缩支撑架8固定，完成风洞扩散段4与收缩段1拆卸。
如图3所示，收缩段支撑架8和扩散段支撑架9均采用截面3cm×3cm的钢制栅条，钢铁栅条之间通过角铝固定连接，收缩段支撑架8前部和扩散段支撑架9中部均有一组45度的斜置栅条，两个支撑架竖直方向均有两列钢制栅条，收缩段支撑架8和扩散段支撑架9的两列钢制栅条宽度与风洞试验段宽度一致，收缩段支撑架8和扩散段支撑架9上方栅条均与风洞管道的底部相连接，扩散段支撑架9顶部与收缩段支撑架8顶部相对地面水平，扩散段支撑架9与地面接触处安装阻尼弹簧减振器10。
如图4所示，吸声棉横截面整体高度27mm，截面下部呈梯形，上部为截面呈圆弧形的锯齿形式，顶部为120°的扇形，锯齿高度为24mm，锯齿底部宽度为25mm，锯齿顶部宽度为3mm，吸音棉底部通过高密度胶水与消声器内壁无空隙贴合；
(4)在风洞的动力段前方即风机来流方向加装进风消声器，进风消声器安装在风洞扩散段与试验段之间，在风洞的动力段后方即风机出口方向加装排风消声器，且两消声器均进行同轴调整，利用橡皮胶条使消声器与风洞原有管道软连接；
排风消声器和进风消声器，呈两边有开口的长方体结构，进风消声器尺寸由风洞试验段的横截面决定，长宽高分别为：1.2m*0.8m*0.8m，厚度均为10mm，进风消声器两端均有钢制缩口管道，一端与风洞试验段的出口软连接，另一端与试验风洞的扩散段软连接；如图5所示，排风消声器尺寸由风洞动力段的横截面决定，长宽高分别为：1.5m*1m*1m，厚度均为10mm，排风消声器一侧安装有钢制缩口管道，便于与风洞动力段软连接，另一侧敞开，便于排风。
钢制缩口管道面积与风洞试验段的截面面积尽可能接近，缩口管道的形状利用维氏曲线公式进行设计；维斯辛基曲线：
N为收缩比此处取值为2，N＝(h0/h1)2，h0为给定的收缩段入口的高度尺寸，此处取值为0.8，h1为给定的收缩段出口高度尺寸此处取值为0.4；L为收缩段的长度此处取值0.4；x为收缩曲线横坐标；y为收缩曲线纵坐标。如表格所示为设计的曲线坐标。
排风消声器和进风消声器的内部即气流管道内的内壁纵向安装有多个钢制片式吸声器，片内填充聚酯纤维的吸声棉。如图6所示，消声器内部即气流管道内的内壁纵向安装有3个片式吸声器18，片式吸声器18迎风截面长度为14.3cm，利用公式(4)设计吸声器：
式中△L为声衰减数值，ψ(a0)为材料的吸声系数，此处取值0.46，F为通道的截面周长，此处取值3.2m，S通道的截面积，此处取值0.64m2，l通道长度，此处取值1.5m。
如图7所示，管道两侧留有5mm的空隙，管道通过弹性密封橡胶圈13连接，弹性密封橡胶圈13外部缠绕有两个金属卡条14、15，两个金属卡条14、15通过金属卡件16、17焊接固定，弹性密封橡胶圈13宽度30mm，金属卡条14、15宽度12.5mm。
(5)支撑架利用螺栓紧固连接在地面，拆卸卡件11及定位槽12，并在风洞扩散段支撑架加装高质量的ZD型阻尼弹簧减振器；
(6)风洞动力段加装隔声吸音墙体结构，构建隔音室；隔音室内底部采用原地面，隔音室的其他五个面均为12mm厚度五层结构墙体，隔音室无隔音门及隔音窗，加强密封隔振的效果，隔音室尺寸依据风洞动力端设计为准，隔音室外墙长宽高尺寸为：2.25m*2.25m*2.25m，隔音室墙体内外层选用2mm厚度的钢板，隔音室墙体中间夹层选用8mm厚度的吸音棉，同时吸音棉孔隙率为94.2％，且风洞中风机三相进线、传感器数据线需要穿过隔音墙，为此隔音室上设有过线孔，外部信号线经过线孔引入隔音室内，过线孔直径为25mm，过线孔采用橡胶材料进行密封，以保证墙体的隔声量不会因为孔隙等原因而减小。
(7)降噪处理后风洞安全性检查包括：连接螺栓有无松动；检查风机底座与风洞的固定螺栓有无松动；风机底座各支撑连接杆螺栓有无松动；检查电动机、继电器、变频器等电气设备连接是否正常；检查风洞管道中是否有异物存在；
(8)重复步骤(2)中的1，2，3，开启风洞，利用热线风速仪测试降噪处理后的风洞试验段的实际流场情况，利用麦克风测试降噪处理后的风洞试验段及隔音室实际声场情况完成流场校测工作；
(9)检验是否达到风洞设计任务书规定的各项指标，并编写流场校测大纲。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)依据需降噪处理的直流风洞，获取风洞具体参数；
(2)上电开启风洞，利用热线风速仪测试降噪处理前的风洞试验段的实际流场，并利用麦克风测试降噪处理前的风洞试验段的声场情况，完成处理前流场测试；
(3)测试完毕，拆卸风洞并加装支撑架，并在扩散段洞壁加装吸声棉；所述拆卸风洞并加装支撑架，具体包括：在需拆卸的截面位置两端，即风洞扩散段与收缩段分别安装有收缩段支撑架、扩散段支撑架，所述收缩段支撑架、扩散段支撑架安装时避开风洞管壁上强电线管，收缩段支撑架、扩散段支撑架底端与地面相接触，其中收缩段支撑架下方安装有可沿风洞轴向移动的卡件，并设计定位槽；拆卸风洞收缩段与地面的螺栓紧固件；驱动所述收缩段支撑架沿风洞轴向滑动，直至扩散段与收缩段之间间距略大于排风消声器的轴向距离，利用卡件使收缩支撑架固定，完成风洞扩散段与收缩段拆卸；所述收缩段支撑架和扩散段支撑架均采用钢制栅条，所述钢制栅条之间通过角铝固定连接，所述收缩段支撑架前部和扩散段支撑架中部均有一组45度的斜置栅条，所述收缩段支撑架和扩散段支撑架竖直方向均有两列钢制栅条，所述收缩段支撑架和扩散段支撑架的两列钢制栅条宽度与风洞试验段宽度一致，所述收缩段支撑架和扩散段支撑架上方栅条均与风洞管道的底部相连接，所述扩散段支撑架顶部与收缩段支撑架顶部相对地面水平，所述扩散段支撑架与地面接触处安装阻尼弹簧减振器；
(4)在风洞的动力段前方即风机来流方向加装进风消声器，进风消声器安装在风洞扩散段与试验段之间，在风洞的动力段后方即风机出口方向加装排风消声器，且两消声器均进行同轴调整，利用橡皮胶条使消声器与风洞原有管道软连接；所述进风消声器为两边有开口的长方体结构，尺寸由风洞试验段的横截面决定，长宽高分别为：3D*2D*2D，D为风洞试验段横截面宽度，所述进风消声器两端均有钢制缩口管道，一端与风洞试验段的出口软连接，另一端与试验风洞的扩散段软连接；所述排风消声器为两边有开口的长方体结构，尺寸由风洞动力段的横截面决定，长宽高分别为：2H*1.33H*1.33H，H为风洞动力段横截面宽度，所述排风消声器一侧安装有钢制缩口管道，另一侧敞开；所述钢制缩口管道的形状利用维氏曲线公式进行设计；所述排风消声器和进风消声器的内部即气流管道内的内壁纵向安装有多个钢制片式吸声器，片内填充聚酯纤维的吸声棉；缩口管道的形状利用维氏曲线公式进行设计；维斯辛基曲线：
N为收缩比，N＝(h0/h1)2，h0为给定的收缩段入口的高度尺寸，h1为给定的收缩段出口高度尺寸；L为收缩段的长度；x为收缩曲线横坐标；y为收缩曲线纵坐标；
(5)支撑架利用螺栓紧固连接在地面，拆卸卡件及定位槽，并在风洞扩散段支撑架加装阻尼弹簧减振器；
(6)风洞动力段加装隔声吸音墙体结构，构建隔音室；
(7)降噪处理后风洞安全性检查包括：连接螺栓有无松动；检查风机底座与风洞的固定螺栓有无松动；风机底座各支撑连接杆螺栓有无松动；检查电气设备连接是否正常；检查风洞管道中是否有异物存在；
(8)重复步骤(2)，开启风洞，利用热线风速仪测试降噪处理后的风洞试验段的实际流场情况，利用麦克风测试降噪处理后的风洞试验段及隔音室实际声场情况完成流场校测工作；
(9)检验是否达到风洞设计任务书规定的各项指标，并编写流场校测大纲。
2.根据权利要求1所述的一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(8)中所述利用热线风速仪测试风洞试验段的实际流场，并利用麦克风测试风洞试验段的声场情况，包括测试风洞来流的湍流度、均匀性情况、噪声分贝数，具体包括以下步骤：
(1)启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至最大风速的1/3、1/2、2/3时，以试验段毕托管测得风速为参考，设定热线采样频率，采集风洞试验段中心测点的瞬时风速，重复3次取均值作为试验数据，单次采样长度≥10秒，采样速率≥1000次/秒，计算风洞内流场湍流度；
(2)启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至3、5、7、9…直至风洞最大风速，以试验段毕托管测得风速为参考，设定热线采样频率，采集风洞试验段中心截面80％宽度内均匀布置的16个测点的瞬时风速，重复3次取均值作为试验数据，单次采样长度≥10秒，采样速率≥1000次/秒，计算风洞内流场均匀性；
(3)启动风洞，通过变频器改变频率调整风机转速，待风速稳定至5、10、15…直至风洞最大风速，以试验段毕托管测得风速为参考，采用A级声级计麦克风，测试风洞试验段及实验室外的噪声水平。
3.根据权利要求1所述的一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，其特征在于，所述吸声棉横截面下部呈梯形，上部分为截面呈圆弧形的锯齿形式，顶部为120°的扇形，所述吸音棉底部通过高密度胶水与消声器内壁无空隙贴合。
4.根据权利要求1所述的一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，其特征在于，步骤(4)中所述消声器与风洞原有管道软连接，所述管道两侧留有空隙，管道通过弹性密封橡胶圈连接，所述弹性密封橡胶圈外部缠绕有两个金属卡条，所述两个金属卡条通过金属卡件焊接固定。
5.根据权利要求1所述的一种吸气式直流低速风洞降噪处理方法，其特征在于，所述隔音室内底部采用原地面，隔音室的其他五个面均为五层结构墙体，所述隔音室无隔音门及隔音窗，隔音室墙体内外层为钢板，隔音室墙体中间夹层设置有吸音棉，所述隔音室上设有过线孔，外部信号线经过线孔引入隔音室内，所述过线孔采用橡胶材料进行密封。
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