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飞行器与风机设计共性展望家电抑噪新方向

2019-05-27 16:25:00

风机作为一种量大面广的通用机械设备，在航空航天、工业生产等方面都有着广泛应用，但其运转过程中产生的噪声常常成为干扰周围环境和影响人体健康的祸源。以空气动力学为纽带，风机设计与飞行器气动外形设计之间存在很多共性技术，在国家推行军民融合发展战略大背景下，前沿技术的借鉴学习为风机抑噪优化设计带来了新的方向。

为吸纳航空航天领域前沿抑噪技术，5月24日，第三期「共享大课堂-HOPE创新讲座」特邀西北工业大学副教授、气动噪声研究领域专家余培汛分享《飞行器设计技术在风机噪声抑制中应用—现状与未来》主题讲演，与现场海尔技术工程师及线上直播间观众一起，探寻前沿气动噪声控制技术与家电产品的创新结合。

在飞行器总体设计/气动噪声/流体力学方向拥有多项科研项目成果，如：螺旋桨气动/噪声综合分析与试验技术研究、多孔板控制措施对开式空腔气动噪声的抑制研究、降低飞机噪声源及其辐射的创新方法、某油烟机气动噪声预测及降噪设计等。

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余教授以基础流动机理及飞行器设计与风机设计的四大共性技术入手，结合家电项目应用实例，详细解读了“数值仿真→建立流场模型→分析诊断→优化设计”流程中所用到的技术手段，并通过新型降噪材料、人工智能等革命性方案，展望风机抑噪设计未来发展趋势，为家电风机抑噪提出了建设性方向。

1飞行器设计与风机设计四大共性技术

高精度数值仿真、流场分析与诊断、智能优化设计、革命性方案设计为飞行器与风机设计中具有共性的四大技术。而在解读共性技术之前，余教授首先强调：不管是对于噪声预设分析还是降噪设计，首先都要以基础流动机理为根基，清楚了解噪声的产生过程。

1、高精度数值仿真技术

不论对于飞行器还是风机，高精度的数值仿真手段都是其设计与系统研发的基础。飞行器领域可用于风机设计（气动、噪声、散热等）的技术主要有：复杂构型的网格生成技术、大分离流模型与旋转机械流场模拟技术、气动噪声预测技等。

1）网格生成技术

其中，网格生成是数值模拟的前提，其生成质量好坏很大程度上决定了数值模拟结果的正确性。常规的静态网格生成形式主要包括结构网格、非结构网格和结构非结构混合网格三种。而在多体运动问题中，常规的静态网格无法满足数值模拟需求，应运而生的网格生成技术：可自动调节网格疏密性的重叠网格、自适应网格技术应运而生，大大节省计算资源。

2）模型与流场模拟技术

很多人生成网格后，无法判断数值结果错误到底是由网格、数值格式还是其他人为因素引起的。因此在网格计算中，还涉及到模型的选择。余教授团队在不同精度级别的湍流模型方法中都开展了卓有成效的工作，提出在工业设计，如风机叶片的旋转运作中，比较适合使用高精度混合的RANS/LES数值仿真。此旋转机械流场模拟方案在军民多个项目中得到应用，为旋转机械的设计提供了可靠的技术保障。

3）气动噪声预测技术

对气动噪声产生过程的精确模拟依赖于高精度的数值仿真技术，余教授团队开发了气动噪声混合预测方法。但在实际工业降噪设计中，气动噪声本质实为气动流场，有经验的工作者在数值仿真流场中就可以进行判断，从而进行相应的设计分析，最后再通过前后降噪数值的对比验证该设计的降噪效果即可。

在表面粗糙度与污染物对流场影响的模拟技术及高精度高效控制方程求解技术部分，余教授亦结合应用实例，展开了具体讲解▽

2、流场仿真与诊断技术

此技术基于流体力学基础理论，将实际产品的流场/噪声性能等联系起来，对于分析产品气动设计中存在的问题以及改进产品设计具有最直接的指导作用，也是拉开企业之间研发能力的关键技术之一，与工程师的个人功力与经验积累息息相关。

3、智能优化设计技术

过于依赖人工经验的气动外形设计存在陌生设计环境下效率显著降低、复杂的设计环境下难以获得理论上的最优解等明显不足。而智能优化算法主导的气动外形设计无需深厚的气动外形设计设计功底，即可开展高质量气动外形设计，在既定总体方案，尤其是在复杂设计环境下，比人工设计效果更好。结合生动图示，余教授对气动外形优化设计系统的模块组成展开讲解▽

4、革命性方案设计技术

余教授指出，当前的智能优化设计技术还是在既定的总体布局形势下进行精细、极致化设计，革命性、颠覆性方案的探索仍然主要依赖设计工程师的深厚设计功力与发散的设计思维。而随着人工智能技术的进步，虽真正用于工业还有一定距离，但智能优化设计必然向更高水平迈进，未来，可能只需输入想要的性能参数，就能实现理想设计模型的自动生成。