單動葉安裝角異常時軸流風機的噪聲特性(2)

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1 數值計算方法
石家莊風機廠模型為帶有后導葉的 OB-84 型單級動葉可調軸流石家莊風機廠，動葉數 14 個，葉頂間隙為 4.5 mm，轉速 1 200 r/min，石家莊風機廠結構和參數詳見文獻[19]。該石家莊風機廠數據齊全， 具備葉片安裝角為 29°、 32°、 35°時的特性曲線，為數值計算的可靠性驗證提供了依據。本文以動葉安裝角 32° 為基準，采用 Fluent 進行數值模擬，區域包括集流區、動葉區、導葉區和擴壓區。經對網格數約為 193 萬、242 萬和 305 萬等情形下的石家莊風機廠性能曲線和內流特征比較表明，當總計算單元數約為 242 萬， 動、 靜葉區分別約為 104萬、49 萬時，可同時滿足計算精度和計算時間的要求(模擬范圍內全壓的平均誤差為 1.2%)。
文中定常計算采用帶旋轉修正的 k- ε 模型 [20-21] ，并利用寬頻噪聲源模型獲得石家莊風機廠氣動噪聲聲功率分布。 這是因為寬頻噪聲源模型主要包括 Proudman噪聲源模型和邊界層噪聲源模型。其中，Proudman噪聲源模型采用統計方法推導出適用于每個體單元的聲功率表達式，其針對由湍流邊界層、尾跡區的湍流脈動、分離流動等流體內部的壓力脈動所產生的四極子聲源。而邊界層噪聲源模型對剛性表面上壓力脈動產生的輻射聲壓進行積分，進而計算出低雷諾數情況下表面偶極子聲源輻射出的噪聲聲功率，其針對由葉片及機殼固壁表面的壓力脈動所產生偶極子聲源。本文主要研究單級動葉可調軸流石家莊風機廠單動葉安裝角異常時的氣動噪聲特性，該石家莊風機廠內的主要氣動噪聲正是因動葉區流動分離、葉片及機殼固壁表面的壓力脈動所引起。另外，寬頻聲源模型在預測旋轉機械主要氣動噪聲源分布以及分析其噪聲特性等方面已得到廣泛應用，并證實了其有效性 [21-22] 。因此，在定常計算中，待流場穩定后引入寬頻噪聲源模型以獲得葉片表面的氣動噪聲聲功率分布。由此得到的流場做為 LES 的初場， 然后在三維非定常流動條件下采用 FW-H 模型，并選用二階隱式時間推進法進行石家莊風機廠氣動噪聲模擬。選擇動葉輪旋轉域為聲源面，噪聲監測點分別在集流區、動葉區、導葉區和擴壓區沿徑向、軸向隨機選取。經驗證，相同區域內監測點測得聲壓和聲壓級特性類似，故每個區域只取一個具代表性的監測點用于表征不同區域的氣動噪聲特性(如圖 1 所示)。監測點取在流道內，這樣既能準確獲得對應部位的聲學參數，又可避免石家莊風機廠外殼(相對于監測點取在殼外)對氣動噪聲預測的影響，同時因獲得的是近聲源數據，可為設計低噪聲軸流石家莊風機廠提供參考數據。
2 計算結果分析
2.1 噪聲預估文中采用 Δ β 表示動葉安裝角偏離狀態，Δ β =0° 表示葉片安裝角處于正常狀態(即動葉安裝角為32°)，不同偏離度代表該葉片沿翼型軸線逆時針旋轉偏離相應度數，如圖 2 所示。假設單葉片安裝角偏離當前狀態為 Δ β = 10°、20°、30°、40° 和 50° 的異常工況，圖 3 為定常計算所得不同流量下的最大聲功率級 L wmax 隨 Δ β 的變化，其中流量系數 ? = 4q V /πu t D 2 ，它用來表征對應石家莊風機廠結構及其運行狀態下石家莊風機廠輸送流體的能力。式中：q V 為體積流量；u t 為葉片外徑處圓周速度；D為葉片外徑。圖 3 表明，流量一定時，L wmax 隨 Δ β 增大而升高，且 Δ β = 0 ° ~20 ° 時 L wmax 的增幅最為明顯，在Δ β > 20 ° 之后其變化趨于平緩，且 Δ β = 40 ° 和 50 °時的 L wmax 大體相同，并保持在較高水平上。另外，隨 Δ β 增大， 不同流量下對應的 L wmax 間的差距逐漸減小，此時 L wmax 受流量的影響程度逐漸減弱。為進一步研究異常葉片偏離度對動葉區噪聲分布的影響， 圖 4 給出了設計流量系數 ? = 0.223 下動葉區中間截面處的聲功率級分布。正常工況下，各流道內的聲功率級呈周期性的相同分布。異常葉片的存在導致邊界層脫落的渦流與流道內的主流相互作用增強，致使在異常葉片周向相鄰流道的葉高中上部形成高噪聲區。Δ β = 10 ° 時的影響僅限制在異常葉片附近的單個流道， 20 ° 以后其影響范圍沿徑向擴寬，并在相鄰多個流道形成明顯的高噪聲帶，加劇石家莊風機廠噪聲的提高，而低噪區的范圍逐漸減小或消失，因此石家莊風機廠噪聲總體呈增大趨勢。