串列葉片式前向離心風機氣動與噪聲特性的優化研究(1)

.www.feiyua.cn摘要: 對采用串列葉片的某前向離心風機內部三維非定常流動進行了數值計算, 重點研究了串列葉片不同葉片相對長度和不同葉片相對周向位置兩個參數對風機氣動性能及氣動噪聲的影響。通過響應面方法對數值結果進行二次回歸擬合, 得到兩個參數與風機效率和 A 聲級間的函數關系,并進行了優化分析。數值結果表明: 兩個參數對串列葉片式前向離心風機效率和 A 聲級均有較大影響, 合理的串列葉片設計能夠在保持氣動性能基本不變的情況下降低風機的氣動噪聲。將可靠的 CFD 數值技術與響應面方法結合起來用于指導離心風機的改進及試驗設計是可行的, 本文的研究結果可為串列式離心風機在節能與降噪的總體設計方面提供參考。
關鍵詞: 串列葉片; 氣動性能; 氣動噪聲; 前向離心風機; 響應面方法

1  引  言
前向離心風機葉輪通道中的流動擴壓度較大,容易產生氣流分離, 特別是葉輪后部的吸力面附近分離現象嚴重, 導致葉輪出口周向氣流的分布很不均勻。由于葉輪轉速較高, 不均勻的葉輪出口氣流會與周圍非軸對稱分布的靜止部件產生強烈的非定常干涉, 這是產生離心風機氣動噪聲, 特別是離散噪聲的主要原因之一, 并對風機的氣動性能帶來不利影響。國內外對離心風機氣動性能和氣動噪聲的研究大都著眼于改變蝸舌的傾角、 蝸殼形狀、 葉片形狀及數量等方面。近年來國內外的一些研究表明, 合理的布置串列葉片能使離心葉輪出口流動參數沿周向分布比采用單列葉片更加均勻, 對降低葉輪與靜止部件間的非定常沖擊損失及氣動噪聲有利。
到目前為止, 串列葉片對離心風機整機的氣動性能和氣動噪聲二者影響的研究還比較匱乏。另外, 氣動性能和氣動噪聲還常常存在著相互制約的關系,一方的提升有時會帶來另一方的下降, 能夠同時改善離心風機氣動性能和氣動噪聲的方法是當前研究所追求的主要目標。因此, 本文在綜合考慮氣動性能和氣動噪聲的前提下, 采用串列葉片結構對某單列葉片式前向離心風機進行了改進研究。本文采用數值方法對串列葉片的相對長度和相對周向位置兩個參數對該前向離心風機氣動性能和氣動噪聲的影響同時進行了研究。使用 FLUENT軟件計算風機內部的非定常流動來獲取流場和聲源信息, 分別利用效率公式和 FW -H 方程求得風機的效率和離散噪聲, 并采用響應面方法 ( ResponseSurface Methodology, RSM) 擬合得到兩個參數與石家莊風機氣動性能和氣動噪聲的函數關系式, 通過優化分析, 尋找兩個參數的最佳組合點, 在保持風機原有良好氣動性能的情況下, 使氣動噪聲降低, 為串列葉片式離心風機的優化設計提供參考。

2  前向離心風機的幾何參數
被改進的原單列葉片式前向離心風機( 后文中簡稱原風機) 葉輪進口直徑 D 1 = 156mm, 葉片出口直徑 D 2 = 400mm, 無葉旋轉擴壓器出口直徑 D 3 =460mm, 葉片數Z = 12, 葉片進口安裝角 B 1A = 38b,出口安裝角 B 2A = 126 b, 葉輪進口寬度 b 1 = 70mm,葉輪出口寬度 b 2 = 36mm, 蝸殼寬度 B = 64mm, 設計轉速 n = 2900rpm。
圖 1 給出改進后的串列葉片式離心風機結構示意圖。 串列葉片結構及相關參數如圖 2 所示。 圖 2中, 若把后排短葉片去掉, 將前排長葉片加上圖中虛線部分, 就得到原風機的葉型。 后排短葉片的葉型與改進前葉片后部的葉型完全相同。 符號 a 表示后排葉片的弦長, b 表示改進前原單列葉片的弦長, l s 表示前后排葉片重疊形成的縫道長度, H為后排葉片相對前排葉片沿葉輪旋轉方向轉動的角度。 定義葉片相對長度因子? l = a/ b; 葉片相對周向位置因子 ? H= H / $ H , $ H= 30 b為葉輪單個葉道所占的周向角度。文獻[ 3 -4] 指出短葉片在靠近長葉片壓力面一側,對改善離心風機氣動性能和氣動噪聲更有利。 本文在保持 l s / b = 1/ 20 不變, 分別選取相對長度因子? l 為 2/ 20、 3/ 20、 4/ 20、 5/ 20, 相對周向位置因子 ? H為1/ 15、 2/ 15、 3/ 15、 4/ 15, 并根據樣本點的設計方案,計算在不同組合下的風機氣動性能和氣動噪聲。

3  數值計算方法
3 11  三維非定常流場的數值計算方法
采用 FLUENT 軟件計算風機內部的非定常流動來獲取流場和聲源信息。 風機計算區域主要分為三個部分: 進氣段、 葉輪( 包括旋轉擴壓器) 和蝸殼。為了提高收斂速度, 忽略了進風口和旋轉葉輪套接部分的內泄漏流動。 為適應風機內部結構的復雜性,采用多塊網格生成方法生成高質量網格。 考慮到不同流動區域的不同重要性, 對葉輪內部、 蝸舌壁面附近的網格節點進行了加密控制和非等距處理。 為方便, 取葉輪旋轉軸中心線為 Z 坐標軸, 進口氣流沿 Z軸正向流向 Z 軸負向, 輪盤內壁面為坐標 Z = 0 平面。 各部位的具體網格節點數分別為: 進氣部分約 6萬個, 葉輪部分約 61 萬個, 蝸殼部分約 23 萬個。 整機網格節點總數約 90 萬個。 風機的計算網格模型如圖 3、 圖 4 所示。
非定常計算的控制方程采用三維雷諾守恒型N-S 方程, 湍流模型采用 RealizableJ -E模型, 取標準壁面函數。 由于風機內部流動馬赫數很低, 認為氣體不可壓縮且粘性系數為常數。 離散方程采用隱式分離方求解, 壓力修正采用 SIMPLE 算法。 對流項采用二階迎風格式離散, 擴散項采用二階中心格式離散, 時間項離散采用二階隱式格式。
由于葉片在葉輪內沿圓周均布且認為轉速恒定, 所以葉輪流道和蝸殼之間的耦合呈周期性關系,在計算中時間步長確定為式中: K 為一個非定常計算周期的時間步數, K =30; n為葉輪轉速, n=2900rpm; Z 為葉片排數, Z =12。 通過上式計算得到時間步長為計算給定進口速度邊界條件, 依據流量計算管道進口速度, 且假設進口速度均勻分布; 給定蝸殼出口壓力邊界為標準大氣壓; 壁面采用無滑移條件; 計算中取進口體積流量 q v = 27 17m 3 # min - 1 。3 1 2  氣動性能和氣動噪聲的計算方法效率是衡量風機氣動性能的主要參數之一, 風機效率的計算可確定為其中: P 1 和 P 2 為風機進口和出口的總壓; M 表示葉輪施加給流體的作用力 Z 轉軸的力矩; X表示葉輪旋轉的角速度。 計算中上述各參數均采用國際標準單位。 由于在不同時刻(葉片和蝸舌處在不同相對位置), 計算所得的效率不同, 為了便于比較, 下文中所給出的效率為 360 個非定常時間步(葉輪旋轉一周) 的時均值。
聲壓級是衡量風機噪聲大小的常用物理量之一, 本文運用三維非定常流場數值計算的結果, 采用FW -H 方程對風機的離散噪聲進行計算 [ 5] , 其表達式為(利用自由空間格林函數求解 FW -H 方程, 其完備解是由面積分和體積分組成的。 面積分部分表示的是單極子和偶極子聲源, 以及部分四極子聲源的作用, 而體積分部分表示的是在聲源面以外的四極子聲源。 對于所研究的前向離心風機, 其內部流動屬于低亞音速不可壓縮流動, 當聲源區包含在聲源面內時, 單極子和四極子聲源對聲場的貢獻可以忽略,因此有這里: c 0 為聲速; x i 為觀察點坐標; y i 為聲源坐標; R為聲源到觀察點的距離; t 為接受時間; M R 為聲源在聲傳播方向的運動馬赫數; 方括號表示積分時方括號內的量是相應延遲時間 S時的值, S= t- R/ c 0 。 因篇幅所限, 式(3) 和式(4) 中其它各符號的意義詳見文獻[ 6, 8] 。
由于蝸舌部位的偶極子聲源是產生該風機噪聲的主要聲源, 因此僅以蝸殼部分作為聲源區域采用 FW -H 方程進行聲壓的計算。 對聲壓進行快速傅立葉變換, 并經過A 計權獲得風機出口1m 處的A聲級(L a )。