吹气抑制离心风机旋转失速的动力学特征(2)

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1．3气动声场计算模型宽带噪声源模型(broadb锄d noise s伽睇esmodel)，包括P砌ldll姗的噪声源模型和边界层噪声源模型等。ProudII啪运用Ligl】胁in的声学理论，分析了各向同性湍流产生的噪声，并采用统计方法，推导出适用于每个体单元的声功率表达式，其针对的噪声源属于四极子声源。四极子噪声是由于湍流边界层，尾迹区的湍流脉动，分离流动等流体内部的压力脉动产生的。边界层噪声源模型基于Cude的积分方程实现，方程对刚性表面上压力脉动产生的辐射声压进行积分，进而计算出低雷诺数情况下，表面偶极子声源辐射出的噪声声功率，其针对的噪声源为偶极子声源。偶极子噪声是由于叶片及蜗壳固壁表面的压力脉动所产生的。叶轮内的主要气动噪声源是由于流动分离、叶片及蜗壳固壁表面的压力脉动及失速团的非定常演化过程引起的。因此，采用宽带噪声源模型数值模拟石家庄风机内部的气动噪声源分布。
2数值计算结果及分析
2．1 几点说明1)进行了网格无关性计算，且离心石家庄风机性能曲线和失速频率分别与实验结果进行了对比，验证了数值模拟和失速模型的正确性，详见文献【15】。本文在其基础上在靠近蜗舌的3个流道内设置了3个喷嘴截面，不影响计算结果的正确性。2)关于旋转失速先兆发生前的数值模拟在文献【13】中已进行详细介绍，本文主要研究在失速先兆发生前某一时刻在叶片进口处，3个喷嘴向叶轮内部吹气(吹气速度为110 n1／s)后，不同阀门开度下叶轮内的流体动力学特征，及石家庄风机的扩稳效果。3)在吹气抑制石家庄风机失速的研究过程中考虑了吹气速度对失速抑制效果的影响。当吹气速度过小，抑制失速无明显效果。当吹气速度大于70m／S时，吹气能够推迟失速的发生；随着吹气速度的增大，石家庄风机安全裕度增大，但当吹气速度大于110IIl／s时，安全裕度增大不明显。限于文章篇幅，文中仅对吹气速度为110 111／s下石家庄风机内部的流体动力学特征和噪声特性进行分析，研究吹气抑制石家庄风机失速的效果。4)叶轮内95％以上区域相对速度小于60m／s，在喷嘴附近速度较高。为了能更清楚地观察及对比叶轮内相对速度矢量分布，本文后面出现的相对速度矢量图中相对速度值的上限均设定为60m／s。原始石家庄风机在阀门开度为0．72时发生旋转失速现象，流量为4．157 m3／S。在失速先兆发生前，在叶片进口处向流道内吹气，下面分别分析阀门开度为O．69、0．63、O．54和0．48时叶轮流道内不同轴向截面亿=3 l、压38．5和Z暂6分别靠近叶轮前盘、中间和后盘处的轴向截面)的相对速度矢量图、静压等值线分布和声功率级分布。
2．2叶轮内相对速度矢量分布图2为阀门开度分别为‰=0．69和七l=0．63时叶轮内不同轴向截面的相对速度矢量分布图。由图2(a)和图2(d)可知，在Z兰31截面，叶轮内部流场在周向上分布较均匀，沿顺时针距离蜗舌第3_4个流道内分离涡面积较大。喷嘴附近的流道内靠近吸力面侧出现了流速高于10n1／s的回流，主要是由于石家庄风机出口静压较高而喷嘴高速气流强制吹散压力侧分离涡引起的。由图2(c)和图2(f)可知，分离涡已经扩展到叶轮后盘附近，且分离涡的面积随着阀门开度的降低而增大。Z斗6截面上分离涡位于靠近蜗舌的几个流道内，且不沿周向旋转，说明叶轮内尚未发展形成周向旋转的失速团。因此，在这2个阀门开度下，由于喷嘴吹气，离心石家庄风机未进入旋转失速状态。图3为阀门开度分别为尼l=0．54和J|}l=0．48时叶轮内不同轴向截面的相对速度矢量分布图。由图3(a)可知，七l=0．54时，在压3l截面距离蜗舌较远的第4—5个流道内的流场进一步恶化，几乎阻塞了流道，喷嘴附近流道内的回流区域面积也有所扩大；图3(b)和图3(c)分别图2(e)和图2(f)相比，随着阀门开度减小，在z兰38．5和压-46截面，分离涡占据面积增大。由图3(d)可知，随着阀门开度的减小，当确=0．48时靠近前盘的Z_3l截面内流场沿周向呈不均匀分布石家庄风机，形成了2个未成熟的失速团并分别随叶轮以一定速度沿周向旋转，而2个未成熟失速团之间流道内的流场得到改善；2个未成熟失速团经过喷嘴附近流道时，叶片压力侧的分离涡面积减小，但流道出口仍处于阻塞状态，进入流道的气体以回流的形式返回流道入口附近，回流速度升高至20m／s左右。图3(e)和图3(D中，叶轮中间截面和后盘附近截面上，与压31截面中未成熟失速团对应流道内均存在2个具有较大分离涡面积的区域，且沿周向旋转。