爪极发电机气动噪声数值模拟及优化

摘要

爪极发电机具有结构简单、经济适用，同时在发动机低速时也能为蓄电池进行高效充电等优点，被广泛应用于乘用车上，作为汽车噪声的主要来源之一，爪极发电机的噪声水平控制是当下一个重要的研究课题。当发电机在高转速工况时，影响其噪声水平的主要部分是气动噪声，研究其流场和噪声频谱特性以及降噪方法具有重要意义。　　针对某型号爪极发电机在高转速工况下阶次噪声特性明显的问题，本文首先通过理论分析和试验研究，探究了发电机在不同转速下的阶次噪声特性，确定了不同转速区间的噪声源类型，然后通过数值仿真的方法建立了与试验拟合精度较好的数值仿真模型，研究了不同转速下发电机的流场及噪声频谱特性，同时基于转子表面不同阶次下的压力分布情况以及“去除部件法”对各主要阶次噪声来源进行了分析，最后对扇叶和爪极结构参数进行了优化设计并通过对优化后的样机进行噪声测试，验证气动噪声优化效果。本文主要研究内容包括以下几个方面：　　(1)通过对某80槽样机的噪声测试试验数据进行阶次分析，得到该发电机在前100阶次里，8、12、16、24、64、72、80是主要阶次噪声。基于N.Curle通过量纲分析得到的关于流体马赫数与噪声源类型关系的结论，对在8000~12000r/min的噪声试验数据进行了线性拟合，结果表明发电机的辐射声功率与气流流速近似成6次方关系，证明偶极子是主要气动噪声源类型。　　(2)建立了流场和声场数值仿真模型，基于爪极发电机噪声测试试验数据，对比了RNGk-ε、SAS-SST两种湍流模型下的数值仿真精度，仿真结果表明采用SAS-SST湍流模型时各主要阶次噪声数值模拟精度更高。　　(3)基于已经校核过的数值仿真模型，分别研究了3000r/min、8000r/min、12000r/min转速工况下发电机流场特性和噪声频谱特性，同时基于转子表面不同阶次下的压力分布情况以及“去除部件法”对主要阶次噪声来源进行了分析，得到前扇叶对12、16阶次噪声影响更大，后扇叶对6、8、10阶次噪声影响更大。　　(4)通过采用矢量合成法(Vector Composition Method, VCM)建立了前后扇叶叶片夹角分布与相对声压振幅之间的数学优化模型，优化结果表明前扇叶叶片夹角已经处于一个最优分布，后扇叶叶片夹角有着较大优化空间，经过数值仿真和噪声测试试验表明，在前后扇叶平均质量流量变化不超过5%的情况下，各主要阶次噪声平均值有明显下降，取得了较好的优化效果，验证了VCM法进行噪声优化的可行性。　　(5)对某样机的爪极导流槽进行了试验研究，试验结果表明导流槽的存在能显著降低高阶次噪声，同时通过对导流槽参数进行数值仿真研究，发现适当减小导流槽的深度以及长度可以降低高阶次噪声，但深度和长度增加的太大反而会使噪声值增加，因此一个合理的导流槽深度以及长度能更好的减少对应高阶阶次噪声值。

目录

声明

第1章绪论

1.1选题背景及意义

1.2爪极发电机结构概述

1.2.2定子

1.3.2旋转机械气动噪声分析及优化

1.4本文主要研究内容及技术路线

第2章爪极发电机气动噪声理论基础与试验研究

2.1.2湍流的数值仿真方法

2.1.3气动噪声预测理论模型

2.1.4气动噪声预测数值计算方法

2.2爪极发电机气动噪声试验研究

2.2.2阶次噪声特性分析

2.2.3噪声源类型试验验证

2.3本章小结

第3章爪极发电机气动噪声数值仿真

3.2流场计算建模

3.2.2模型几何前处理

3.2.3计算域生成及表面网格划分

3.2.4模型参数设置

3.3声场计算建模

3.3.1基本假设

3.3.2声学网格生成及模型设置

3.3.3声学网格独立性验证

3.4本章小结

第4章爪极发电机气动噪声预测

4.1.2噪声频谱特性分析

4.2爪极发电机气动噪声来源分析

4.2.1转子表面压力分布阶次分析

4.2.2基于去除部件法的阶次噪声分析

4.3本章小结

第5章爪极发电机气动噪声降噪研究

5.2扇叶叶片夹角分布优化

5.2.1数学建模

5.2.2阶次分析

5.2.3典型工况数值仿真及噪声频谱特性分析

5.2.4优化样件制造及装机试验

5.3某36槽样机爪极导流槽参数研究

5.3.1发电机结构概述

5.3.2气动噪声试验分析

5.3.3爪极带导流槽样机数值仿真

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢