CN112131767B - 秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其包括以下步骤：对秸秆揉碎机内气流和散碎物料两相流进行数值模拟；锤片不均匀磨损后的转子系统与气流和散碎物料两相流场之间，以及气流和散碎物料两相流场与外壳之间均基于双向流固耦合法进行相互耦合；基于声比拟理论与声学边界元法对揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声数值进行预测。本申请采用计算流体力学CFD技术、离散元DEM技术、声比拟理论与声学边界元相结合的方法可以快速、准确、低成本地预测秸秆揉碎机全生命周期的多重耦合噪声，从而为揉碎机低噪声设计提供方法依据。

Description

秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法
技术领域
本申请属于计算机辅助设计领域，具体涉及一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法。
背景技术
拥有我国自主知识产权的秸秆揉碎机可将秸秆等农业纤维物料加工成柔软的丝状段，便于牲畜采食与消化。揉碎机工作时，秸秆等物料由进料口经动、静刀片切段后进入揉碎室，受到高速旋转锤片的击打和齿条的揉搓后变成丝状段，之后在导流板的引导以及气流的抽吸作用下移向出料口并被抛出机外。目前秸秆揉碎机工作时普遍存在着振动噪声大的问题，研究表明国产揉碎机噪声为100～110dB(A)，揉碎机工作一段时间锤片等机械结构磨损后，振动和噪声随之增大，尤其是噪声高达110～120dB(A)，远超过了饲草揉碎机噪声90dB(A)的国家标准要求。揉碎机的噪声过高不仅会严重地影响揉碎机的使用寿命和工作性能，同时也会影响到工作环境和操作人员的身心健康，严重制约饲草揉碎机向高品质方向发展。
目前，对揉碎机噪声的研究多采用试验研究的方法，通过研制物理样机来确定实际工作状态下揉碎机的噪声。如果实测噪声不能达到国家规定标准要求，则需调整结构参数，重新研制样机再实测噪声后才能确定是否合适，这种方法存在设计研发周期长与成本高等问题。鉴于试验研究方法的局限性，人们对揉碎机转子锤片如何击碎物料并扰动空气引发气动噪声的作用机理还不明确。另外，揉碎机使用过程中由于锤片等零部件的不均匀磨损会引发机体振动并辐射噪声，与气流-散碎物料-机械结构耦合流场产生的气动噪声再进行耦合，使得噪声产生机理非常复杂，这方面的探索研究还未见报道。
发明内容
为至少在一定程度上克服相关技术中存在的问题，本申请提供了一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法。
根据本申请实施例，本申请提供了一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其包括以下步骤：
对秸秆揉碎机内气流和散碎物料两相流进行数值模拟；
锤片不均匀磨损后的转子系统与气流和散碎物料两相流场之间，以及气流和散碎物料两相流场与外壳之间均基于双向流固耦合法进行相互耦合；
基于声比拟理论与声学边界元法对揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声数值进行预测。
上述秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法中，所述对秸秆揉碎机内气流和散碎物料两相流进行数值模拟的具体过程为：
在SolidWorks三维软件中建立秸秆揉碎机的三维模型，使用HyperMesh软件对揉碎机三维模型进行几何清理生成揉碎机内流道实体模型，并采用非结构化四面体网格对揉碎机内流道实体模型进行流体网格划分，得到揉碎机内流道的流体网格模型；
将揉碎机内流道的流体网格模型加载到FLUENT软件中，秸秆揉碎机内部的非定常流场采用修正的全三维粘性N-S方程和大涡模拟LES模型进行计算；
将CFD与DEM进行耦合，其中，散碎物料的运动、物料与物料之间的碰撞、物料与转子锤片及外壳之间的碰撞、物料运动对周围气流相的作用以及能量、动量交换，均采用牛顿运动定律进行分析计算。
进一步地，所述将揉碎机内流道的流体网格模型加载到FLUENT软件中，秸秆揉碎机内部的非定常流场采用修正的全三维粘性N-S方程和大涡模拟LES模型进行计算的具体过程为：
根据实际工作情况设置边界条件，入口边界条件均设置为速度入口，出口边界条件设置为压力出口，压力出口的压力为一个标准大气压；
秸秆揉碎机转子边界条件为moving wall，同时建立interface面来区分旋转区域和非旋转区域；其中，旋转区域采用滑移网格进行表示；基于转子每旋转一度所需时间确定每个时间步的求解时间步长，对空载工况下的秸秆揉碎机内非定常气流流场进行数值模拟直至收敛。
进一步地，所述将CFD与DEM进行耦合的具体过程为：
在离散元分析软件EDEM中，根据物料的实际尺寸与属性建立颗粒模型、定义物料属性参数，同时建立物料生成面，按照实际喂入速率设定颗粒生成速率，将转子转速设置为实际转速；按照物料颗粒在气流场网格单元中的位置确定颗粒体积分数、气流与物料颗粒间的耦合作用力，DEM根据每个物料颗粒所受气流与物料间的作用力以及颗粒与颗粒、颗粒与揉碎室的接触力计算颗粒的位置和速度直至达到一个CFD时间步，然后将信息更新后的颗粒再返回到CFD更新流体单元体积分数并重新计算气流与物料颗粒间的耦合作用力，最后CFD进行下一个时间步的迭代计算直至再次收敛，通过以上整个过程来模拟物料的运动过程。
上述秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法中，所述锤片不均匀磨损后的转子系统与气流和散碎物料两相流场之间，以及气流和散碎物料两相流场与外壳之间均基于双向流固耦合法进行相互耦合的具体过程为：
按照揉碎机累计运行预设时间锤片磨损后的实际尺寸，建立揉碎机转子与轴承系统的有限元模型，并采用有限元软件中的ANSYS Mesh模块对揉碎机转子与轴承系统的有限元模型进行结构网格划分；
将秸秆揉碎机三维外壳模型导入ANSYS Workbench分析平台中，加载模态分析模块Model，对外壳模型进行结构有限元网格划分；
采用双向流固耦合方法将不平衡转子的振动变形作用于揉碎机内散碎物料和气流耦合流场，再通过非定常耦合流场将振动传递到外壳；反之，外壳振动又作用于非定常耦合流场，再通过耦合流场将振动传递到不平衡转子。
上述秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法中，所述基于声比拟理论与声学边界元法对揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声数值进行预测的具体过程为：
将不平衡转子系统、外壳的振动数据与耦合流场脉动压力数据叠加后获得揉碎机外壳与锤片转子表面耦合压力波动；运用声比拟理论FW-H方程将耦合压力波动转化为旋转锤片转子偶极子声源以及外壳表面偶极子声源；
将秸秆揉碎机三维外壳模型导入网格划分软件HyperMesh中几何清理后进行2D声学边界元网格划分，得到声学边界元网格模型；将外壳壁面的偶极子声源以及旋转锤片转子偶极子声源作为声学边界条件，将声学边界条件与声学边界元网格导入到声学数值预测软件Virtual LAB中进行声学计算，运用间接边界元法对亥姆霍兹Helmholtz声波波动方程进行求解，通过设置饲草揉碎机外声场场点网格获得揉碎机外声场声压级分布情况，完成对秸秆揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声的数值预测。
进一步地，所述基于声比拟理论与声学边界元法对揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声数值进行预测的具体过程还包括：
通过将多重耦合噪声数值预测结果与锤片不均匀磨损后饲草揉碎机噪声试验结果进行对比分析，验证多重耦合噪声数值预测方法的准确性。
更进一步地，采用声压法对锤片不均匀磨损后饲草揉碎机负载工况下的多重耦合噪声进行实测。
更进一步地，采用声压法对锤片不均匀磨损后饲草揉碎机负载工况下的多重耦合噪声进行实测的具体过程为：
在揉碎机进料口轴线上设置第一测点，第一测点与进料口中心的距离为1m；在揉碎机出料口处设置第二测点，第二测点与出料口中心的距离为1m，且第二测点与出料口的对称中心线成45°角；
对可程式噪音计进行校准；
将可程式噪音计的麦克风置于第一测点与第二测点上，测试揉碎机负载条件下的噪声声压级；
通过信号采集分析仪采集记录噪声信号，然后通过安装在计算机上的智能数据采集和信号分析软件对采集记录的噪声信号进行频谱分析。
更进一步地，将试验与数值预测的多重耦合噪声声压级有效峰值经叠加公式计算后得到A计权总声压级；
其中，叠加公式为：
Figure BDA0002667098710000051
式中，Lp为总声压级，单位为dB(A)；Lpi为第i个声压级，单位为dB(A)；
通过比较分析各测点的噪声声压级试验与数值预测频谱以及A计权总声压级，验证本申请秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法的准确性。
根据本申请的上述具体实施方式可知，至少具有以下有益效果：与传统试验方法相比，本申请进行噪声数据预测的速度更快，且成本更低。
本申请利用CFD-DEM模型能够很好的考虑散碎物料流和气流的相互作用以及耦合后与转子及外壳之间的相互作用；采用双向流固耦合方法将不平衡转子系统、外壳振动数据与揉碎机内气流和物料两相流场脉动压力数据耦合后作为声学边界条件，运用声比拟理论FW-H方程与间接边界元方法预测由于锤片等零部件不均匀磨损引发的机体振动与气动多重耦合噪声，能够突破现有研究仅分析气流和结构耦合产生气动噪声的局限。
通过与锤片等零部件已磨损的秸秆揉碎机的实测噪声数据进行对比，得到与试验基本一致的噪声预测结果，从而为秸秆揉碎机多重耦合噪声预测提供快速、低成本且较准确的方法，进而为秸秆揉碎机低噪声设计提供较准确的方法依据，并为锤片式饲料粉碎机、旋转式铡/切/割草机以及其他农业机械的多重耦合噪声分析与声优化设计提供方法参考。
应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本申请所欲主张的范围。
附图说明
下面的所附附图是本申请的说明书的一部分，其示出了本申请的实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的一种秸秆揉碎机的结构示意图。
图2为本申请实施例提供的一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法的流程图。
图3为本申请实施例提供的多重耦合噪声测点示意图。
图4为本申请实施例提供的秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图；其中，图(a)为噪声信号为130Hz时秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图；图(b)为噪声信号为260Hz时秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图；图(c)为噪声信号为390Hz时秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图；图(d)为噪声信号为520Hz时秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图；图(e)为噪声信号为650Hz时秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图；图(f)为噪声信号为780Hz时秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图。
图5为本申请实施例提供的秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级试验与数值预测频谱对比图，其中，图(a)表示秸秆揉碎机进料口气动和振动多重耦合噪声声压级试验与数值预测频谱对比图；图(b)表示秸秆揉碎机出料口气动和振动多重耦合噪声声压级试验与数值预测频谱对比图；
Figure BDA0002667098710000061
表示气动和振动多重耦合噪声声压级试验结果，
Figure BDA0002667098710000062
表示气动和振动多重耦合噪声声压级数值预测结果。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本申请所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本申请内容的实施例后，当可由本申请内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本申请内容的精神与范围。
本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，但并不作为对本申请的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本申请，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。
关于本文中的“多个”包括“两个”及“两个以上”；关于本文中的“多组”包括“两组”及“两组以上”。
关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以细微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的细微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。
某些用以描述本申请的用词将在下面或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。
本申请提供的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法用于对秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值进行预测。
图1为本申请实施例提供的一种秸秆揉碎机的结构示意图。
如图1所示，秸秆揉碎机包括机架1，机架1上设置有机壳2，机壳2上连接有进料口3和出料弯管4。机壳包括上机壳21和下机壳22。机壳2内设置有锤片转子、抛送叶轮5和导流板6。其中，锤片转子包括主轴7、锤架板和锤片8。
图2为本申请实施例提供的一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法的流程图。
如图2所示，本申请提供的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法包括以下步骤：
S1、对秸秆揉碎机内气流和散碎物料两相流进行数值模拟，其具体过程为：
S11、在Solidworks三维软件中建立秸秆揉碎机的三维模型，使用Hyper Mesh软件对揉碎机三维模型进行几何清理生成揉碎机内流道实体模型，并采用适用性强的非结构化四面体网格对揉碎机内流道实体模型进行流体网格划分，得到揉碎机内流道的流体网格模型。
S12、将揉碎机内流道的流体网格模型加载到FLUENT软件中，秸秆揉碎机内部的非定常流场采用修正的全三维粘性N-S方程和大涡模拟LES模型进行计算。
根据实际工作情况设置边界条件，入口边界条件均设置为速度入口，出口边界条件设置为压力出口，压力出口的压力为一个标准大气压。
秸秆揉碎机转子边界条件为moving wall，同时建立interface面来区分旋转区域和非旋转区域；其中，旋转区域采用滑移网格(Mesh Motion)进行表示；基于转子每旋转一度所需时间确定每个时间步的求解时间步长，对空载工况下的秸秆揉碎机内非定常气流流场进行数值模拟直至收敛。
S13、为了考虑秸秆揉碎过程中气流、物料、转子锤片及外壳之间的多重耦合作用，将CFD与DEM(Discrete Element Method，离散元法)进行耦合，其中，散碎物料的运动、物料与物料之间的碰撞、物料与转子锤片及外壳之间的碰撞、物料运动对周围气流相的作用以及能量、动量交换，均采用牛顿运动定律进行分析计算。
在离散元分析软件EDEM中，根据物料的实际尺寸与属性建立颗粒模型、定义物料属性参数，同时建立物料生成面，按照实际喂入速率设定颗粒生成速率，将转子转速设置为实际转速；按照物料颗粒在气流场网格单元中的位置确定颗粒体积分数、气流与物料颗粒间的耦合作用力，DEM根据每个物料颗粒所受气流与物料间的作用力以及颗粒与颗粒、颗粒与揉碎室的接触力计算颗粒的位置和速度直至达到一个CFD时间步，然后将信息更新后的颗粒再返回到CFD更新流体单元体积分数并重新计算气流与物料颗粒间的耦合作用力，最后CFD进行下一个时间步的迭代计算直至再次收敛，通过以上整个过程来模拟物料的运动过程。
这样既可以分析秸秆物料的运动情况，又可以分析物料运动过程中对其周围气流相的作用，从而为更准确地预测揉碎机工作时的噪声提供依据。
S2、锤片等锤片不均匀磨损后的转子系统与气流和散碎物料两相流场之间，以及气流和散碎物料两相流场与外壳之间均基于双向流固耦合法进行相互耦合，其具体过程为：
锤片等不均匀磨损后不平衡转子的振动变形作用于揉碎机内散碎物料和气流耦合流场，再通过非定常耦合流场将振动传递到外壳并使其振动；反之，外壳振动又作用于非定常耦合流场，再通过非定常耦合流场将振动传递到不平衡转子。
S21、按照揉碎机累计运行预设时间锤片等已磨损后的实际尺寸，建立揉碎机转子与轴承系统的有限元模型，并采用有限元软件中的ANSYS Mesh模块对揉碎机转子-轴承系统的有限元模型进行结构网格划分；具体地，采用四面体单元网格进行划分；
在有限元软件ANSYS Workbench中设置材料属性、施加边界条件后对锤片等不均匀磨损后转子-轴承系统进行动态特性分析，即在ANSYS Workbench工作平台的模态分析模块Model中进行动态特性分析，得到转子系统的前六阶固有频率、模态振型，在此基础上，将转子模态计算结果输入到ANSYS的谐响应Harmonic模块，再施加不平衡离心惯性力，即可计算得出转子在不平衡离心惯性力作用下的振动响应。
S22、将秸秆揉碎机三维外壳模型导入ANSYS Workbench分析平台中，加载模态分析模块Model，对外壳模型进行结构有限元网格划分。
设置材料属性并添加约束后进行模态求解，计算得到外壳结构前六阶固有模态和振型。
S23、采用双向流固耦合方法将不平衡转子的振动变形作用于揉碎机内散碎物料和气流耦合流场，再通过非定常耦合流场将振动传递到外壳；反之，外壳振动又作用于非定常耦合流场，再通过耦合流场将振动传递到不平衡转子。
通过ANSYS中的System Coupling模块将转子外表面以及外壳内表面分别设置为流固耦合面，然后进行不平衡转子-气固耦合流场-外壳双向流固耦合计算，使转子系统、外壳的振动数据与耦合流场脉动压力数据耦合叠加，为多重耦合噪声计算提供声学边界条件。
S3、基于声比拟理论与声学边界元法对揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声数值进行预测，其具体过程为：
S31、将揉碎机转子系统与外壳等固体边界的振动看作固体边界的一种特殊运动形式，将不平衡转子系统、外壳的振动数据与耦合流场脉动压力数据叠加后即可获得揉碎机外壳与锤片转子表面耦合压力波动；运用声比拟理论FW-H方程将耦合压力波动转化为旋转锤片转子偶极子声源以及外壳表面偶极子声源。
S32、将秸秆揉碎机三维外壳模型导入网格划分软件HyperMesh中几何清理后进行2D声学边界元网格划分，得到声学边界元网格模型；将外壳壁面的偶极子声源以及旋转锤片转子偶极子声源作为声学边界条件，将声学边界条件与声学边界元网格导入到声学数值预测软件Virtual LAB中进行声学计算，运用间接边界元法对亥姆霍兹Helmholtz声波波动方程进行求解，通过设置饲草揉碎机外声场场点网格(即ISO标准六面体场点网格)来获得揉碎机外声场声压级分布情况，从而对秸秆揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声进行数值预测。
S33、通过将多重耦合噪声数值预测结果与锤片等不均匀磨损后饲草揉碎机噪声试验结果进行对比分析，验证多重耦合噪声数值预测方法的准确性。
为了便于比较，气动和结构耦合声学模型中锤片的磨损量与试验样机锤片的磨损量相同，揉碎物料相同，且测点位置相同。采用声压法对锤片不均匀磨损后饲草揉碎机负载工况下的多重耦合噪声进行实测。
其中，采用声压法对锤片不均匀磨损后饲草揉碎机负载工况下的多重耦合噪声进行实测的具体过程为：
测点布置参照《GB/T 2888-2008风机和罗茨风机噪声测量方法》和《GB6971-2007饲料粉碎机试验方法》中的噪声测量标准。
图3为本申请实施例提供的多重耦合噪声测点示意图。
测量进料口噪声时，如图3所示，在进料口轴线上设置第一测点，第一测点与进料口中心的距离为1m；在出料口处设置第二测点，第二测点与出料口中心的距离为1m，且第二测点与出料口的对称中心线成45°角。
噪声测量前，需要对TES-1352A可程式噪音计进行校准。
测量噪声时，将TES-1352A可程式噪音计的麦克风置于图3所示的第一测点与第二测点上，测试揉碎机负载条件下的噪声声压级，通过INV3060S型信号采集分析仪采集记录噪声信号，然后通过安装在计算机上的智能数据采集和信号分析软件对采集记录的噪声信号进行频谱分析。
试验时，在噪声分析软件DASP V10中将传声器的灵敏度设置为30mV/Pa，采样时间设置为30s，分析参数为A级计权与汉宁窗滤波，采样频率为51.2kHz。
将试验与数值预测的多重耦合噪声声压级有效峰值经叠加公式计算后得到A计权总声压级。
其中，叠加公式为：
Figure BDA0002667098710000111
式(1)中，Lp为总声压级，单位为dB(A)；Lpi为第i个声压级，单位为dB(A)。
通过比较分析各测点的噪声声压级试验与数值预测频谱以及A计权总声压级，验证本申请秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法的准确性。
为便于更清楚地理解本申请提供的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，下面采用具体的实施例进行详细说明。
以9R-40型秸秆揉碎机为例，其工作条件为：揉碎机转子转速为2600r/min；揉碎物料为黄玉米秸秆，物料密度9.21×10-8kg/mm3，喂入量为0.5kg/s。
转子外径为Φ410mm，锤架板直径为Φ250mm、厚度4mm，锤片长×宽×厚为150mm×40mm×4mm，其中在第一、三、五锤架板上安装有槽型锤片；抛送叶轮架板的直径为Φ260mm、厚度为8mm；主轴长度为1000mm。外壳外径为Φ490mm，壳体壁厚为4mm；进料口的长与高分别为230mm和285mm；出料管横截面为170mm×170mm的方形截面，出料直管高330mm，出料弯管内、外圆半径分别为830mm与1000mm。机架的长、宽和高分别为750mm、700mm和350mm。
(1)对秸秆揉碎机内气流和散碎物料两相流进行数值模拟，其具体过程为：
首先，在SolidWorks三维软件建立秸秆揉碎机三维模型，使用Hyper Mesh软件对揉碎机三维模型进行几何清理生成揉碎机内流道实体模型，并采用适用性强的非结构化四面体网格对揉碎机内流道实体模型进行流体网格划分，得到揉碎机内流道的流体网格模型。其中，网格单元为3353954，节点数577980，网格质量满足计算要求。
其次，将揉碎机内流道的流体网格模型加载到FLUENT软件中，秸秆揉碎机内部的非定常流场采用修正的全三维粘性N-S方程和大涡模拟LES模型。
根据实际工作情况设置边界条件，入口边界条件均设置为速度入口，进料口速度为法向15m/s，两侧轴承间隙入口速度为5m/s，出口边界条件设置为压力出口，压力为一个标准大气压。
秸秆揉碎机转子边界条件为moving wall，同时建立interface面来区分旋转区域和非旋转区域，旋转区域采用滑移网格(Mesh Motion)，设定旋转区域转速为2600r/min。
基于转子每旋转一度所需时间确定每个时间步的求解时间步长，转子旋转一度所需时间约为0.000064s，迭代步数为1000步，每个时间步长的最大迭代步数设置为40。
对空载工况下的秸秆揉碎机内非定常气流流场进行数值模拟直至收敛。
最后，为了考虑秸秆揉碎过程中气流、物料、转子锤片及外壳之间的多重耦合作用，将CFD与DEM进行耦合，其中散碎物料的运动、物料与物料之间的碰撞、物料与转子锤片及外壳之间的碰撞、物料运动对周围气流相的作用以及能量、动量交换，均采用牛顿运动定律进行分析计算。
在离散元分析软件EDEM中，根据物料的实际尺寸与属性建立颗粒模型、定义物料属性参数，同时建立物料生成面，颗粒生成速率按实际喂入速率0.5kg/s设定，设置转子转速为实际转速2600r/min；按照物料颗粒在气流场网格单元中的位置确定颗粒体积分数、气流与物料颗粒间的耦合作用力，DEM根据每个物料颗粒所受气流与物料间的作用力以及颗粒与颗粒、颗粒与揉碎室的接触力计算颗粒的位置和速度直至达到一个CFD时间步，然后将信息更新后的颗粒再返回到CFD更新流体单元体积分数并重新计算气流与物料颗粒间的耦合作用力，最后CFD进行下一个时间步的迭代计算直至再次收敛，来模拟物料的运动过程。
CFD-DEM藕合仿真中设置EDEM迭代时间步长为0.0000025s。
这样既可以分析秸秆物料的运动情况，又可以分析物料运动过程中对其周围气流相的作用，从而为更准确地预测揉碎机工作时的噪声提供依据。
(2)锤片等不均匀磨损后转子系统及外壳与气固两相流场基于双向流固耦合法进行相互耦合；
首先，按照揉碎机累计运行一段时间锤片等已磨损后的实际尺寸，建立揉碎机转子-轴承系统的有限元模型，并采用有限元软件中的ANSYS Mesh模块对其进行结构网格划分，采用四面体单元网格，网格数量为105757，节点数为205161。
在有限元软件ANSYS Workbench中设置材料属性、施加边界条件后对锤片等不均匀磨损后转子-轴承系统进行动态特性分析，得到转子系统的前六阶固有频率、模态振型，在此基础上，通过ANSYS的谐响应Harmonic模块即可计算得出转子在不平衡离心惯性力作用下的振动响应。
其次，将秸秆揉碎机三维外壳模型导入ANSYS Workbench分析平台中，加载模态分析模块Model，对外壳模型进行结构有限元网格划分，得到网格单元数为142129，网格节点数为293117。设置材料属性并添加约束后进行模态求解，计算得到外壳结构前六阶固有模态和振型。
最后，采用双向流固耦合方法将不平衡转子的振动变形作用于揉碎机内散碎物流-气流耦合流场，再通过非定常耦合流场将振动传递到外壳；反之，外壳振动又作用于非定常耦合流场，再通过耦合流场将振动传递到不平衡转子。
即通过ANSYS中的System Coupling模块将转子外表面以及外壳内表面设置为流固耦合面，然后进行不平衡转子-气固耦合流场-外壳双向流固耦合计算，使转子系统、外壳的振动数据与耦合流场脉动压力数据耦合叠加，为多重耦合噪声计算提供声学边界条件。
(3)基于声比拟理论与声学边界元法，对揉碎机气动和结构振动耦合噪声数值进行预测，其具体过程为：
首先，将揉碎机转子系统与外壳等固体边界的振动看作固体边界的一种特殊运动形式，将不平衡转子系统、外壳的振动数据与耦合流场脉动压力数据叠加后即可获得揉碎机外壳与锤片转子表面耦合压力波动；运用声比拟理论FW-H方程将耦合压力波动转化为旋转锤片转子偶极子声源以及外壳表面偶极子声源。
其次，将秸秆揉碎机三维外壳模型导入网格划分软件Hyper Mesh中几何清理后进行2D声学边界元网格划分，网格尺寸设置为15mm，得到声学边界元网格模型；将外壳壁面的偶极子声源以及旋转锤片转子偶极子声源作为声学边界条件，将其与声学边界元网格导入到声学数值预测软件Virtual LAB中进行声学计算，运用间接边界元法对亥姆霍兹Helmholtz声波波动方程进行求解，通过设置饲草揉碎机外声场场点网格(ISO标准六面体场点网格)来获得揉碎机外声场声压级分布情况，从而对锤片磨损后秸秆揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声进行数值预测。预测结果如图4所示。
图4为本申请实施例提供秸秆揉碎机气动和振动多重耦合噪声声压级预测云图。
从图4(a)可以看出，噪声信号为130Hz时，饲草揉碎机噪声的高声压级区域主要集中在进料口处及出料管侧面，且进料口处声压级最大，为103dB(A)，是揉碎机噪声最大值。从图4(b)可以看出，噪声信号为260Hz时，高声压级区域主要集中在出料口以及进料口处，且出料口处声压级最大，为101dB(A)。从图4(c)和4(d)可以看出，噪声信号为390Hz和520Hz时，高声压级主要集中在进料口处与机架下方，且最大声压级分别为100dB(A)与99.5dB(A)。从图4(e)和4(f)可以看出，噪声信号为650Hz和780Hz时高声压级主要集中在进料口、出料口与机架下方，且最大声压级分别为92.8dB(A)与87.6dB(A)。因此，从图4可以看出，进料口主要受噪声信号为130Hz时声压级的影响，出料口主要受噪声信号为260Hz时声压级的影响。
随着频率增大，声压级的变化范围逐渐增大，噪声向外辐射更加分散。
最后，通过将多重耦合噪声数值预测结果与锤片磨损后饲草揉碎机噪声试验结果进行对比分析，验证多重耦合噪声数值预测方法的准确性。
为了便于比较，气动和结构耦合声学模型中锤片的磨损量与试验样机锤片的磨损量相同，揉碎物料相同，且测点位置相同，入口处测量点的坐标值为(-1609，-235，-805)，出口处测量点的坐标值为(980，-305，-85)。
采用声压法对锤片磨损后饲草揉碎机负载工况下的多重耦合噪声进行实测。多重耦合噪声试验与数值预测对比结果如图5所示。将图5中的实测、数值预测声压级有效峰值经叠加公式(1)计算后得出的A计权总声压级如表1所示。
表1秸秆揉碎机多重耦合噪声总声压级试验与数值预测比较
Figure BDA0002667098710000151
从图5与表1可知，气动和振动多重耦合噪声试验与数值预测的声压级频谱曲线变化规律及趋势基本一致；出料口处的试验与数值预测总噪声相差2.58dB(A)，进料口处的试验与数值预测总噪声相差5.48dB(A)，这是因为数值预测时对揉碎机物理模型进行了简化以及试验中不可避免会产生人为误差等，进料口处实测与仿真结果差值较大主要是由于秸秆进入进料口只是切段而未揉碎，而DEM模型并未考虑此过程。可见多重耦合噪声预测结果可靠，预测模型基本准确，预测方法可行。
在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测装置，其包括存储器以及耦接至该存储器的处理器，处理器被配置为基于存储在存储器中的指令，执行本申请中任一个实施例中的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法。
其中，存储器可以为系统存储器或固定非易失性存储介质等，系统存储器可以存储有操作系统、应用程序、引导装载程序、数据库以及其他程序等。
在示例性实施例中，本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，是计算机可读存储介质，例如，包括计算机程序的存储器，上述计算机程序可由处理器执行，以完成本申请中任一个实施例中的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法。
上述的本申请实施例可在各种硬件、软件编码或两者组合中进行实施。例如，本申请的实施例也可表示在数据信号处理器中执行上述方法的程序代码。本申请也可涉及计算机处理器、数字信号处理器、微处理器或现场可编程门阵列执行的多种功能。可根据本申请配置上述处理器执行特定任务，其通过执行定义了本申请揭示的特定方法的机器可读软件代码或固件代码来完成。可将软件代码或固件代码发展表示不同的程序语言与不同的格式或形式。也可表示不同的目标平台编译软件代码。然而，根据本申请执行任务的软件代码与其他类型配置代码的不同代码样式、类型与语言不脱离本申请的精神与范围。
以上所述仅表示本申请示意性的具体实施方式，在不脱离本申请的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
对秸秆揉碎机内气流和散碎物料两相流进行数值模拟；其具体过程为：
在三维软件中建立秸秆揉碎机的三维模型，使用Hyper Mesh软件对揉碎机三维模型进行几何清理生成揉碎机内流道实体模型，并采用非结构化四面体网格对揉碎机内流道实体模型进行流体网格划分，得到揉碎机内流道的流体网格模型；
将揉碎机内流道的流体网格模型加载到FLUENT软件中，秸秆揉碎机内部的非定常流场采用修正的全三维粘性N-S方程和大涡模拟LES模型进行计算；
将CFD与DEM进行耦合，其中，散碎物料的运动、物料与物料之间的碰撞、物料与转子锤片及外壳之间的碰撞、物料运动对周围气流相的作用以及能量、动量交换，均采用牛顿运动定律进行分析计算；
锤片不均匀磨损后的转子系统与气流和散碎物料两相流场之间，以及气流和散碎物料两相流场与外壳之间均基于双向流固耦合法进行相互耦合；
基于声比拟理论与声学边界元法对揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声数值进行预测，其具体过程为：
将不平衡转子系统、外壳的振动数据与耦合流场脉动压力数据叠加后获得揉碎机外壳与锤片转子表面耦合压力波动；运用声比拟理论FW-H方程将耦合压力波动转化为旋转锤片转子偶极子声源以及外壳表面偶极子声源；
将秸秆揉碎机三维外壳模型导入网格划分软件HyperMesh中几何清理后进行2D声学边界元网格划分，得到声学边界元网格模型；将外壳壁面的偶极子声源以及旋转锤片转子偶极子声源作为声学边界条件，将声学边界条件与声学边界元网格导入到声学数值预测软件Virtual LAB中进行声学计算，运用间接边界元法对亥姆霍兹Helmholtz声波波动方程进行求解，通过设置饲草揉碎机外声场场点网格获得揉碎机外声场声压级分布情况，完成对秸秆揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声的数值预测。
2.根据权利要求1所述的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，所述将揉碎机内流道的流体网格模型加载到FLUENT软件中，秸秆揉碎机内部的非定常流场采用修正的全三维粘性N-S方程和大涡模拟LES模型进行计算的具体过程为：
根据实际工作情况设置边界条件，入口边界条件均设置为速度入口，出口边界条件设置为压力出口，压力出口的压力为一个标准大气压；
秸秆揉碎机转子边界条件为moving wall，同时建立interface面来区分旋转区域和非旋转区域；其中，旋转区域采用滑移网格进行表示；基于转子每旋转一度所需时间确定每个时间步的求解时间步长，对空载工况下的秸秆揉碎机内非定常气流流场进行数值模拟直至收敛。
3.根据权利要求1所述的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，所述将CFD与DEM进行耦合的具体过程为：
在离散元分析软件EDEM中，根据物料的实际尺寸与属性建立颗粒模型、定义物料属性参数，同时建立物料生成面，按照实际喂入速率设定颗粒生成速率，将转子转速设置为实际转速；按照物料颗粒在气流场网格单元中的位置确定颗粒体积分数、气流与物料颗粒间的耦合作用力，DEM根据每个物料颗粒所受气流与物料间的作用力以及颗粒与颗粒、颗粒与揉碎室的接触力计算颗粒的位置和速度直至达到一个CFD时间步，然后将信息更新后的颗粒再返回到CFD更新流体单元体积分数并重新计算气流与物料颗粒间的耦合作用力，最后CFD进行下一个时间步的迭代计算直至再次收敛，通过以上整个过程来模拟物料的运动过程。
4.根据权利要求1所述的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，所述锤片不均匀磨损后的转子系统与气流和散碎物料两相流场之间，以及气流和散碎物料两相流场与外壳之间均基于双向流固耦合法进行相互耦合的具体过程为：
按照揉碎机累计运行预设时间锤片磨损后的实际尺寸，建立揉碎机转子与轴承系统的有限元模型，并采用有限元软件中的ANSYS Mesh模块对揉碎机转子与轴承系统的有限元模型进行结构网格划分；
将秸秆揉碎机三维外壳模型导入ANSYS Workbench分析平台中，加载模态分析模块Model，对外壳模型进行结构有限元网格划分；
采用双向流固耦合方法将不平衡转子的振动变形作用于揉碎机内散碎物料和气流耦合流场，再通过非定常耦合流场将振动传递到外壳；反之，外壳振动又作用于非定常耦合流场，再通过耦合流场将振动传递到不平衡转子。
5.根据权利要求1所述的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，所述基于声比拟理论与声学边界元法对揉碎机气动和结构振动多重耦合噪声数值进行预测的具体过程还包括：
通过将多重耦合噪声数值预测结果与锤片不均匀磨损后饲草揉碎机噪声试验结果进行对比分析，验证多重耦合噪声数值预测方法的准确性。
6.根据权利要求5所述的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，采用声压法对锤片不均匀磨损后饲草揉碎机负载工况下的多重耦合噪声进行实测。
7.根据权利要求6所述的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，采用声压法对锤片不均匀磨损后饲草揉碎机负载工况下的多重耦合噪声进行实测的具体过程为：
在揉碎机进料口轴线上设置第一测点，第一测点与进料口中心的距离为1m；在揉碎机出料口处设置第二测点，第二测点与出料口中心的距离为1m，且第二测点与出料口的对称中心线成45°角；
对可程式噪音计进行校准；
将可程式噪音计的麦克风置于第一测点与第二测点上，测试揉碎机负载条件下的噪声声压级；
通过信号采集分析仪采集记录噪声信号，然后通过安装在计算机上的智能数据采集和信号分析软件对采集记录的噪声信号进行频谱分析。
8.根据权利要求5所述的秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法，其特征在于，将试验与数值预测的多重耦合噪声声压级有效峰值经叠加公式计算后得到A计权总声压级；
其中，叠加公式为：
Figure FDA0003926974620000041
式中，Lp为总声压级，单位为dB(A)；Lpi为第i个声压级，单位为dB(A)；
通过比较分析各测点的噪声声压级试验与数值预测频谱以及A计权总声压级，验证本申请秸秆揉碎机多重耦合噪声的数值预测方法的准确性。
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