旋转式压缩机气流噪声机理与抑制研究

论文摘要

旋转式压缩机多用于空调和冰箱,结构繁杂,气流噪声比较严重。准确地找出气流噪声的位置和根源,分析和提炼压缩机噪声的研究方法以及进行噪声抑制就显得非常关键。详细分析了国内外关于旋转式压缩机气流噪声的研究现状和特点,尚未见到关于压缩机气流噪声机理分析、预测的成熟模型,也没有普遍适用的气流噪声控制规律的成果报道。将压缩机进行整机分析非常困难,需要将压缩机的各型号,甚至各零部件分隔开来进行研究,尤其针对重点部件进行分析,如排气阀、消音器、排气通道和储液器等。对压缩机噪声的某些研究方法进行了进一步分析,提出了一些新的模型和方法。结合实际压缩机的噪声特点利用试验和理论分析出了主要气流噪声源的位置,分析了产生机理,并进行了仿真和试验研究,压缩机气流噪声得到了有效的抑制。具体研究内容如下:首先讨论了压缩机气流噪声的研究意义,回顾和分析了压缩机气流噪声的研究现状和特点,指出了目前研究方法的优越性和局限性,明确了需要解决的问题和研究方向。声腔四端网络方法的点源模型在数学上存在奇异性,使得传递矩阵的计算有疑问。而面声源为实际声源,该模型虽然消除了数学上的奇异性,但计算复杂,且面声源上声压分布很不均匀,使得平均化存在问题。针对这些问题首次提出了一种简化的圆形线声源模型,该模型是实际面声源模型的简化,即利用一个圆形线源替代整个面声源。数值算例表明,该模型既避免了面声源繁杂的计算处理,又消除了点源模型的奇异性,线声源上声压分布均匀,能取代实际的面声源模型。为了解决声学模态叠加法收敛较慢的问题,将经常用于电磁场分析的Ewald方法引入到了声学问题中,并导出了具有吸声边界条件的声学响应计算公式。数值计算表明,在计算效率上Ewald方法较模态叠加方法具有明显的优越性。首次计算并分析了储液器内的湍流压力脉动情况,对比了单极子源产生压力脉动与湍流压力脉动的差异。阐述了储液器内湍流压力脉动产生机理,同时也分析了从压缩机气缸内传向储液器的非气流噪声源的抑制方法,利用两个旁支的单吸气储液器能够有效地缓解气流压力脉动和抑制噪声。旋转式压缩机具有明显的吸气、压缩和排气几个阶段。首次对旋转式压缩机进行了转角特性分析,包括噪声,振动和压力脉动信号,试验方法包括单脉冲和多脉冲采样方法。根据试验分析得出该压缩机噪声源主要来自于排气阶段,并进一步分析了排气噪声的产生机理,为压缩机的降噪提供了理论依据。利用热力学方法,试验数据与CFD方法相结合预测了压缩机排气腔内的压力脉动情况,分析了理论仿真与试验数据的差异及其原因,同时对比了不同排气腔体内观测点压力脉动幅值,提出了改善排气噪声的方法。在转角特性分析和排气腔压力脉动分析的基础上对排气消声器进行了改进,通过理论公式验证了传声损失数值计算的正确性。在消声器传声损失数值计算的基础上归纳出一套改善消声器传声损失的方法,并进行了多个方案的改进,数值计算表明了较好的效果。实际工况的试验也在较宽频率范围内体现出了良好的改进效果。从各章节的研究可以看出,理论方法的研究在一定程度上对压缩机声学理论模型的建立和数值求解方法的应用提供了依据。针对实际产品的数值模拟,试验分析和改进研究对气流噪声的机理有了进一步的诠释,为压缩机气流噪声的控制和低噪声压缩机的设计奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究现状与分析
• 1.2.1 吸气噪声研究现状
• 1.2.1.1 计算方法研究
• 1.2.1.2 试验研究
• 1.2.2 压缩过程噪声研究现状
• 1.2.2.1 声源识别
• 1.2.2.2 Helmholtz 模型
• 1.2.2.3 四端网络方法
• 1.2.2.4 基于计算流体动力学的声学分析
• 1.2.3 排气噪声研究现状
• 1.2.3.1 排气阀的研究现状
• 1.2.3.2 排气通道的研究现状
• 1.2.4 其他相关气流噪声研究方法
• 1.2.4.1 气动声学理论的应用
• 1.2.4.2 气流传播途径的分析
• 1.2.4.3 流体对壳体的激振
• 1.3 待解决的压缩机气流噪声问题
• 1.4 主要工作
• 第二章 压缩机声腔的四端网络模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 压缩机气流通路简介
• 2.3 四端网络方法基本理论
• 2.3.1 四端网络参数的形成
• 2.3.2 基于点源的四端网络参数表达式
• 2.4 用于四端网络方法的声源模型探讨
• 2.4.1 点源和面源模型分析
• 2.4.1.1 收敛性分析
• 2.4.1.2 传递函数比较
• 2.4.1.3 源上声学响应均匀性分析
• 2.4.2 圆形线源模型的提出
• 2.4.2.1 理论分析
• 2.4.2.2 收敛性比较
• 2.4.2.3 源上均匀性分析
• 2.4.2.4 实用性分析
• 2.5 用于声学分析的Ewald 方法
• 2.5.1 Ewald 方法简介
• 2.5.2 理论公式的推导
• 2.5.2.1 声学映象解公式
• 2.5.2.2 声学Ewald 公式推导
• 2.5.3 Ewald 方法实用范围分析
• 2.5.4 Ewald 方法数值算例
• 2.5.4.1 计算结果对比
• 2.5.4.2 两种方法的收敛性讨论
• 2.5.4.3 声源在特殊位置的分析
• 2.5.5 本节小结
• 2.6 本章小结
• 第三章 双缸压缩机吸气压力脉动研究与噪声抑制
• 3.1 引言
• 3.2 储液器的单极子源声学特性
• 3.2.1 储液器基本结构
• 3.2.2 单极子声源分析
• 3.2.3 储液器单极子源的声学响应
• 3.3 储液器内湍流压力脉动分析
• 3.3.1 基本方程和方法
• 3.3.1.1 基本方程
• 3.3.1.2 计算方法
• 3.3.2 计算结果和分析
• 3.3.2.1 流场分析
• 3.3.2.2 压力脉动分析
• 3.3.3 储液器内压力脉动试验分析
• 3.3.3.1 试验装置与仪器
• 3.3.3.2 测点压力脉动的时域分析
• 3.3.3.3 测点压力脉动的频域分析
• 3.3.3.4 误差分析
• 3.4 储液器的有效声学改善
• 3.4.1 储液器结构改进
• 3.4.2 改善前后储液器内压力脉动对比
• 3.4.3 压力脉动改善的机理分析
• 3.4.3.1 湍流压力脉动的变化
• 3.4.3.2 其他声源
• 3.5 双缸压缩机声学试验
• 3.6 本章小结
• 第四章 压缩机噪声的转角特性研究
• 4.1 前言
• 4.2 转角特性分析原理
• 4.2.1 信号采集
• 4.2.2 信号处理
• 4.3 单脉冲采样分析
• 4.3.1 单脉冲的精度分析
• 4.3.2 试验装置简图
• 4.3.3 不同测量位置的振动频谱比较
• 4.3.4 振动测点的转角跟踪分析
• 4.3.5 声学测点的转角跟踪分析
• 4.3.6 排气过程的进一步分析
• 4.4 单脉冲试验的远距离声学测量
• 4.4.1 转速的影响
• 4.4.2 误差分析
• 4.4.3 时差延迟的影响
• 4.4.4 噪声能量比值分析
• 4.5 多脉冲采样分析
• 4.5.1 采样系统简介
• 4.5.2 转子实际测量结果
• 4.5.3 试验装置图
• 4.5.4 线谱分析
• 4.5.5 振动测量结果及分析
• 4.5.6 噪声测量结果及分析
• 4.5.7 压力脉动测量结果及分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 压缩机排气压力脉动研究
• 5.1 前言
• 5.2 基本方法
• 5.3 边界条件
• 5.4 网格的划分和计算方法
• 5.5 计算结果及分析
• 5.5.1 ‘热力学’边界条件的计算分析
• 5.5.2 ‘热力学+试验’方法的计算与试验时域分析
• 5.5.3 ‘热力学+试验’方法的计算与试验频域分析
• 5.5.4 各计算测点的比较
• 5.6 压缩机排气噪声的抑制途径
• 5.7 本章小结
• 第六章 压缩机排气噪声的抑制研究
• 6.1 前言
• 6.2 压力脉动的主要频率
• 6.2.1 频谱分析
• 6.2.2 排气腔体的模态计算
• 6.3 排气消声器的设计
• 6.3.1 设计方法
• 6.3.2 消声器传声特性分析
• 6.3.2.1 传递函数的表达式
• 6.3.2.2 边界条件
• 6.3.2.3 计算方法
• 6.3.2.4 计算方法的有效验证
• 6.3.2.5 实际消声器的计算结果与分析
• 6.3.3 新消声器的设计
• 6.3.4 试验研究
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论和展望
• 7.1 主要内容和结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间论文发表及项目参与情况