离心风机旋转失速演化过程的气动噪声特性(5)

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失速团沿周向传播过程的噪声特性
假定第 250 个旋转周期的计算结果位于第 0 时刻，以 1/12 个旋转周期为一个时刻单位，采集计算结果。图 10 和图 11 分别为阀门开度 k 1 =0.89 、完全失速状态下 Z =38.5 截面第 14~17 时刻的相对速度矢量图和声功率级分布云图，每个时刻时间差为1/12 个旋转周期。 由图 10(a) 可知， 失速团占据了叶轮的 3 个流道，失速团尾部位于蜗舌附近，对应的声功率级分布云图 11(a) 显示高噪区主要位于阻塞较严重的 3 个流道，同时失速团对应的旋涡噪声与蜗舌噪声叠加，形成了一个 80~105 dB 的高噪带。随着时间的增长，失速团尾部逐渐远离蜗舌，失速团和蜗舌叠加作用产生的高噪带也随之移动并逐渐被拉长和消弱，连接部分的声功率级降低至80~85 dB 。 在第 17 时刻， 失速团附近的旋涡噪声与蜗舌噪声各自对应的高噪区基本分离，两者之间的声功率级降低至 80 dB 以下。蜗壳和叶轮区域在第14 时刻声功率级平均值分别为 45.15 和 54.87 dB ，而在第 17 时刻分别为 45.11 和 53.89 dB ，因此可预测第 17 时刻石家庄风机的气动噪声小于第 14 时刻的噪声值。由图 11 可知，叶轮沿顺时针旋转了 3 个叶轮流道，而高噪区沿顺时针旋转通过了两个叶轮流道。说明从绝对坐标参考系看，旋转失速状态下，叶轮内约占据 3 个流道的高噪区沿与叶轮相同的方向传播，而从相对坐标参考系看，高噪区沿与叶轮相反的方向进行传播。
另外，从图中还可看出，轮毂附近的两个低噪声区域也保持与高噪区相同的速度沿周向传播。由图 10 可知，高噪区沿周向的传播速度与失速团传播速度相等。在石家庄风机叶轮旋转过程中，失速团沿顺时针每旋转一圈需要经过1.6 个叶轮转子周期，因此高噪区沿顺时针旋转一周的时间也为 1.6 个叶轮转子周期。图 12 为完全失速状态下风机声功率级平均值随时间的变化曲线， 数据采集时间间隔为 1/12 个旋转周期。由图可知，声功率级平均值变化曲线类似于正弦曲线，波动周期约为通过 19 个叶轮流道所需要的时间，与高噪区旋转一周的时间相同，说明失速团及对应高噪区沿周向的传播对旋转失速状态下石家庄风机的气动噪声具有重要影响。需要说明的是，旋转失速状态下，只有叶轮内失速团对应的高噪区沿周向传播，且沿周向不同位置高噪区大小和声功率级强度不同， 而其他位置 ( 如蜗壳、 失速团没有占据的叶轮通道 ) 声功率级变化不大。
为了说明失速团沿周向传播过程中对风机气动噪声的影响规律，以声功率级平均值来定性的表示这种规律，但声功率级的变化幅值不具备任何实际意义。以第一个波动周期为例，第 8 时刻声功率级平均值最高，对应的声功率级分布如图 13 所示。前面分析可知，失速状态下风机内部主要包含两个高噪带，一个是失速团引起的旋涡噪声对应的高噪带， 另外一个是蜗舌区域对应的高噪区， 由图可知，此时失速团沿周向旋转到蜗舌区域，两个高噪带合并叠加成一个分布面积最大、声功率级最高的区域。因此，虽然失速状态下气动噪声以旋涡噪声为主，但蜗舌对于失速状态下的噪声特性也具有重要的作用。
结论1 ）设计工况下，风机内部气动噪声源以蜗舌噪声为主；旋转失速发生前，随着流量的减小，各叶轮流道内由于分离涡面积的增大，旋涡噪声所占比重逐渐增加。2 ）详细分析了失速先兆演化为失速团过程中风机内部的气动噪声特性。叶轮附近旋涡噪声对应的高噪区经历了沿径向、周向和轴向的三维非定常演化过程，高噪区从两个变为一个。失速发生后，叶轮内存在一个覆盖约 3 个流道的高噪区，其他叶轮流道内的噪声较低，且分布均匀。3 ）研究了失速团沿周向传播过程中的风机内部气动噪声特性。失速发生后，旋涡噪声占主要部分，且高噪区保持与失速团相同的速度沿周向传播。说明了旋转失速对小流量工况下风机的噪声特性具有重要影响。4 ）失速状态下，风机声功率级平均值随时间发生变化， 类似于正弦曲线。 当失速团通过蜗舌时，由于旋涡噪声与蜗舌噪声的叠加，达到了瞬时声功率级最大值。揭示了旋转失速状态下失速团与蜗舌对石家庄风机气动噪声的影响机制。