單動葉安裝角異常時軸流風(fēng)機的噪聲特性(2)

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1 數(shù)值計算方法
石家莊風(fēng)機廠模型為帶有后導(dǎo)葉的 OB-84 型單級動葉可調(diào)軸流石家莊風(fēng)機廠，動葉數(shù) 14 個，葉頂間隙為 4.5 mm，轉(zhuǎn)速 1 200 r/min，石家莊風(fēng)機廠結(jié)構(gòu)和參數(shù)詳見文獻[19]。該石家莊風(fēng)機廠數(shù)據(jù)齊全， 具備葉片安裝角為 29°、 32°、 35°時的特性曲線，為數(shù)值計算的可靠性驗證提供了依據(jù)。本文以動葉安裝角 32° 為基準，采用 Fluent 進行數(shù)值模擬，區(qū)域包括集流區(qū)、動葉區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴壓區(qū)。經(jīng)對網(wǎng)格數(shù)約為 193 萬、242 萬和 305 萬等情形下的石家莊風(fēng)機廠性能曲線和內(nèi)流特征比較表明，當(dāng)總計算單元數(shù)約為 242 萬， 動、 靜葉區(qū)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(nèi)全壓的平均誤差為 1.2%)。
文中定常計算采用帶旋轉(zhuǎn)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(fēng)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(tǒng)計方法推導(dǎo)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(qū)的湍流脈動、分離流動等流體內(nèi)部的壓力脈動所產(chǎn)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(chǎn)生的輻射聲壓進行積分，進而計算出低雷諾數(shù)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(chǎn)生偶極子聲源。本文主要研究單級動葉可調(diào)軸流石家莊風(fēng)機廠單動葉安裝角異常時的氣動噪聲特性，該石家莊風(fēng)機廠內(nèi)的主要氣動噪聲正是因動葉區(qū)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(yù)測旋轉(zhuǎn)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(yīng)用，并證實了其有效性 [21-22] 。因此，在定常計算中，待流場穩(wěn)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(fēng)機廠氣動噪聲模擬。選擇動葉輪旋轉(zhuǎn)域為聲源面，噪聲監(jiān)測點分別在集流區(qū)、動葉區(qū)、導(dǎo)葉區(qū)和擴壓區(qū)沿徑向、軸向隨機選取。經(jīng)驗證，相同區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點測得聲壓和聲壓級特性類似，故每個區(qū)域只取一個具代表性的監(jiān)測點用于表征不同區(qū)域的氣動噪聲特性(如圖 1 所示)。監(jiān)測點取在流道內(nèi)，這樣既能準確獲得對應(yīng)部位的聲學(xué)參數(shù)，又可避免石家莊風(fēng)機廠外殼(相對于監(jiān)測點取在殼外)對氣動噪聲預(yù)測的影響，同時因獲得的是近聲源數(shù)據(jù)，可為設(shè)計低噪聲軸流石家莊風(fēng)機廠提供參考數(shù)據(jù)。
2 計算結(jié)果分析
2.1 噪聲預(yù)估文中采用 Δ β 表示動葉安裝角偏離狀態(tài)，Δ β =0° 表示葉片安裝角處于正常狀態(tài)(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(zhuǎn)偏離相應(yīng)度數(shù)，如圖 2 所示。假設(shè)單葉片安裝角偏離當(dāng)前狀態(tài)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(shù) ? = 4q V /πu t D 2 ，它用來表征對應(yīng)石家莊風(fēng)機廠結(jié)構(gòu)及其運行狀態(tài)下石家莊風(fēng)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(yīng)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(qū)噪聲分布的影響， 圖 4 給出了設(shè)計流量系數(shù) ? = 0.223 下動葉區(qū)中間截面處的聲功率級分布。正常工況下，各流道內(nèi)的聲功率級呈周期性的相同分布。異常葉片的存在導(dǎo)致邊界層脫落的渦流與流道內(nèi)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(qū)。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(fēng)機廠噪聲的提高，而低噪?yún)^(qū)的范圍逐漸減小或消失，因此石家莊風(fēng)機廠噪聲總體呈增大趨勢。