单动叶安装角异常时轴流风机的噪声特性(2)

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本文采用 LES 与基于 Lighthill 声类比的 FW-H模型相结合的方法对轴流石家庄市风机厂进行数值模拟。该方法考虑了运动物体边界对声源的影响及四极子源、偶极子源和单极子源叠加的相互作用，更具普遍适用性和可行性 [18] 。鉴于工程实际中，动叶可调轴流石家庄市风机厂单叶片安装角正向偏离现象较为常见，为此，借助数值模拟研究单动叶安装角偏离程度(简称偏离度)Δ β = 0°~50° 时声功率级的变化，分析该轴流石家庄市风机厂的气动噪声分布特性，探讨主要噪声源的强度特征，获得安装角异常时石家庄市风机厂气动噪声的时域和频域分布规律。1 数值计算方法石家庄市风机厂模型为带有后导叶的 OB-84 型单级动叶可调轴流石家庄市风机厂，动叶数 14 个，叶顶间隙为 4.5 mm，转速 1 200 r/min，石家庄市风机厂结构和参数详见文献[19]。该石家庄风机销售数据齐全， 具备叶片安装角为 29°、 32°、 35°时的特性曲线，为数值计算的可靠性验证提供了依据。本文以动叶安装角 32° 为基准，采用 Fluent 进行数值模拟，区域包括集流区、动叶区、导叶区和扩压区。经对网格数约为 193 万、242 万和 305 万等情形下的石家庄市风机厂性能曲线和内流特征比较表明，当总计算单元数约为 242 万， 动、 静叶区分别约为 104万、49 万时，可同时满足计算精度和计算时间的要求(模拟范围内全压的平均误差为 1.2%)。
文中定常计算采用带旋转修正的 k- ε 模型 [20-21] ，并利用宽频噪声源模型获得石家庄市风机厂气动噪声声功率分布。石家庄风机销售这是因为宽频噪声源模型主要包括 Proudman噪声源模型和边界层噪声源模型。其中，Proudman噪声源模型采用统计方法推导出适用于每个体单元的声功率表达式，其针对由湍流边界层、尾迹区的湍流脉动、分离流动等流体内部的压力脉动所产生的四极子声源。而边界层噪声源模型对刚性表面上压力脉动产生的辐射声压进行积分，石家庄风机销售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，其针对由叶片及机壳固壁表面的压力脉动所产生偶极子声源。本文主要研究单级动叶可调轴流石家庄市风机厂单动叶安装角异常时的气动噪声特性，该石家庄市风机厂内的主要气动噪声正是因动叶区流动分离、叶片及机壳固壁表面的压力脉动所引起。另外，宽频声源模型在预测旋转机械主要气动噪声源分布以及分析其噪声特性等方面已得到广泛应用，并证实了其有效性 [21-22] 。
因此，在定常计算中，待流场稳定后引入宽频噪声源模型以获得叶片表面的气动噪声声功率分布。由此得到的流场做为 LES 的初场， 然后在三维非定常流动条件下采用 FW-H 模型，并选用二阶隐式时间推进法进行石家庄市风机厂气动噪声模拟。选择动叶轮旋转域为声源面，噪声监测点分别在集流区、动叶区、导叶区和扩压区沿径向、轴向随机选取。经验证，相同区域内监测点测得声压和声压级特性类似，故每个区域只取一个具代表性的监测点用于表征不同区域的气动噪声特性(如图 1 所示)。监测点取在流道内，这样既能准确获得对应部位的声学参数，又可避免石家庄市风机厂外壳(相对于监测点取在壳外)对气动噪声预测的影响，同时因获得的是近声源数据，石家庄风机销售可为设计低噪声轴流石家庄市风机厂提供参考数据。
2 计算结果分析
2.1 噪声预估文中采用 Δ β 表示动叶安装角偏离状态，Δ β =0° 表示叶片安装角处于正常状态(即动叶安装角为32°)，不同偏离度代表该叶片沿翼型轴线逆时针旋转偏离相应度数，如图 2 所示。假设单叶片安装角偏离当前状态为 Δ β = 10°、20°、30°、40° 和 50° 的异常工况，图 3 为定常计算所得不同流量下的最大声功率级 L wmax 随 Δ β 的变化，其中流量系数 ϕ = 4q V /πu t D 2 ，它用来表征对应石家庄市风机厂结构及其运行状态下石家庄市风机厂输送流体的能力。式中：q V 为体积流量；u t 为叶片外径处圆周速度；D为叶片外径。图 3 表明，流量一定时，L wmax 随 Δ β 增大而升高，且 Δ β = 0 ° ~20 ° 时 L wmax 的增幅最为明显，在Δ β > 20 ° 之后其变化趋于平缓，且 Δ β = 40 ° 和 50 °时的 L wmax 大体相同，并保持在较高水平上。另外，随 Δ β 增大， 不同流量下对应的 L wmax 间的差距逐渐减小，此时 L wmax 受流量的影响程度逐渐减弱。为进一步研究异常叶片偏离度对动叶区噪声分布的影响， 图 4 给出了设计流量系数 ϕ = 0.223 下动叶区中间截面处的声功率级分布。正常工况下，各流道内的声功率级呈周期性的相同分布。异常叶片的存在导致边界层脱落的涡流与流道内的主流相互作用增强，致使在异常叶片周向相邻流道的叶高中上部形成高噪声区。Δ β = 10 ° 时的影响仅限制在异常叶片附近的单个流道，20 ° 以后其影响范围沿径向扩宽，并在相邻多个流道形成明显的高噪声带，加剧石家庄风机噪声的提高，而低噪区的范围逐渐减小或消失，因此石家庄风机噪声总体呈增大趋势。该结论与文献 [13] 所述吻合。