带尾缘吹气的叶轮机械内部流动和气动噪声问题的研究
发布时间：2020-08-22 06:20
【摘要】： 动静干扰和尾迹是叶轮机械主要的非稳定流场形式,采用尾缘吹气能够降低动静干涉噪声、降低下游叶片的疲劳损失和降低机组总的气动噪声等,研究和掌握其流动特性和流动控制方式,对提高机组的整体性能意义重大。 实验测量和数值模拟是研究叶轮机械内部流场的两种基本方法,随着科学技术的发展,各类先进的测量技术的不断发展,如热线风速仪和粒子图像测速仪,为实验研究提供了新的测量方式;同时计算机性能的飞速提高和计算流体力学技术的日趋完善,基于求解三维粘性Navier-Stokes方程的数值模拟方法为叶轮机械内部流场的研究提供了强大的手段。本文正是通过实验测量和数值模拟相结合的方法来研究尾缘吹气对低速风机气动噪声的影响。 本文主要研究内容和研究成果如下: 1、根据研究的要求,设计加工了实验用静子模型,并设计了静子尾缘吹气的装置,保证了静子尾缘吹气的连续性和均匀性,使静子尾缘在不同吹气条件下,能达到所需要的尾迹特征,即纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹、喷射四种尾迹特征。 2、根据国家通风机空气动力学性能测试标准,搭建了性能测试试验台,得到了在静子尾缘不同吹气条件下模型风机系统的空气动力学性能曲线,性能结果表明,静子尾缘吹气在吹气流量为模型风机设计流量的1.8%时达到无动量亏损尾迹时,动叶的气动性能变化不大,说明静子尾缘吹气对动叶的气动性能基本没有影响。 3、使用热线风速仪和PIV测量了静子尾迹区的详细流动特征,得到了纯尾迹、弱尾迹、无动量亏损尾迹、喷射四种尾迹的流动特征。通过轴向速度分布、湍流长度尺度分布、尾迹特征长度等重要的尾迹参数描述了静子不同尾迹的流动特征。结果表明通过静子尾缘吹气,可以填平速度亏损区,获得无动量亏损尾迹。无动量亏损尾迹可以消除静子尾缘的涡脱落频率以及其谐波值,吹气改变了静子的涡脱落特性,吹气后可以减小静子的尾迹宽度。同时,使用了数值模拟对尾迹区的流动进行了进一步的研究,通过不同湍流模型计算结果的对比,发现SST湍流模型适合模拟尾迹区的流动。通过和实验结果对比,CFD模拟结果和实验结果吻合较好,并从数值计算中提取了速度、压力和湍动能等参数继续描述尾迹流动。 4、使用热线风速仪和PIV测量了静子尾迹与动叶相互干涉的流场,得到了静子尾迹在下游动叶排中的传播规律。热线测量结果表明,静子尾缘吹气不但消除了静子尾缘的脱落涡,而且还减弱了下游动叶的周期性影响。通过静子与动叶的全流场数值模拟,详细给出了静子风机系统内的压力分布、涡量和湍动能等参数,对比了纯尾迹和无动量亏损尾迹状态时不同的分布规律。数值计算和PIV测量结果都揭示了静子尾迹在动叶流道内的传播规律,通过静子尾缘吹气,使动叶的入口流场均匀,速度波动较小。 5、利用声级计和频谱分析仪测量了静子尾迹与动叶相互干涉的总声压级、噪声频谱,得到了模型风机系统噪声辐射的特性。对模型风机系统噪声预测方法采用CFD+FW-H混合方法,使用尾缘涡脱落噪声模型和Lowson关于离散频率噪声的点力模型预测了纯尾迹和无动量亏损尾迹与动叶相互作用的宽频噪声和离散噪声,实验测量和噪声预测结果均表明静子尾缘吹气能够降低系统的噪声,尤其离散频率噪声降低较为明显,最大降低幅度为3.65dB,而对宽频噪声的影响较小。 6、提出和尝试了尾缘脉动吹气,使用数值模拟进行了初步的研究。并使用噪声预测模型预测了脉动吹气时脉动尾迹与动叶相互作用的噪声。结果表明,脉动吹气可以降低高阶处离散频率噪声值,从而降低离散频率噪声。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH43
【图文】：
根据尾迹动量亏损厚度计算公式（1-1），将不同喷气情况下尾迹区流动分为纯尾迹（ θ / d> 0）、弱尾迹（ θ / d> 0）、无动量亏损尾迹（ θ / d≈ 0）和射流（ θ / d< 0）。在实际过程中，使用热线测量尾迹区的平均速度分布，然后使用公式（1-1）进行判断。叶片尾迹一般分为叶栅尾迹和转子尾迹，分别表示静止叶片和旋转叶片的尾迹[26]。本文研究的尾迹属于静止叶片尾迹，图 1.1 给出了静子尾迹模型的示意图。静子尾迹分为三个区域：（1）初始段，这段区域紧靠静子的尾缘，静子尾缘的厚度影响占支配地位，该区域是静子边界层分离的区域，主流与尾缘区域的气流相互作用，流动非常复杂，具有较严重的非定常性，且存在大尺度的湍流度。（2）掺混段，这段区域内，静子尾缘的厚度影响逐渐减弱，从静子尾缘脱落的旋涡随流体对流，同时由于粘性和湍流作用而扩散，且对流的影响是主要的。从叶轮机的设计、损失估计以及噪声产生等角度看，这个区域的研究是很重要的。在叶轮机械中，通过叶排之间的轴向距离为一个弦长左右，所以这个区域的尾迹是实际起作用的尾迹区。（3）发展段，此区域内，尾迹区的速度亏损逐渐恢复，静子的厚度影响逐渐消失。
尾迹的流动特征示意图，由于喷口与主流之间存在空隙，吹出的气流与周围主流流体间形成速度不连续的间断面，由湍流力学知，速度间断面是不稳定的，必定产生波动，并发展成旋涡，在靠近尾缘处，在喷口的两边存在较小的旋涡。由于喷射气流的速度大于主流的速度，这样速度大的射流就将主流中速度小的流体卷吸到射流中，随着流动的发展，被卷吸并与射流一起运动的流体不断增多，射流边界逐渐向两侧扩展，流量沿程增大。由于主流与射出气流的掺混，相应产生了对射出气流的阻力，使射出气流的流速降低，难以保持原来的初始流速，吹出气流的推力刚好抵消尾迹区气流的阻力，达到无动量亏损尾迹。无动量亏损由其形成发展特征，也分成三个区域：（1）初始段，尾缘吹出的气流与主流相互作用，致使两股气流中间的连线上存在速度为零的点，称为自由滞点，从喷射口至自由滞点之间的这段区域成为无动量亏损尾迹的初始段，此段区域内流动复杂，存在较严重的速度不连续的间断面。（2）掺混段，吹出的气流和主流气流在此区域内掺混，掺混段内基本形成无动量亏损尾迹，吹出气流与主流气流的掺混自边缘逐渐向中心发展，直至发展到射流中心。（3）发展段，尾迹区的速度亏损完全被吹出的气流填平，自吹出气流与主流完全掺混后，尾迹区的全断面上速度均匀，均呈湍流状态，一起向下游发展。
图 1.4 动静干涉机理分析Fig. 1.4 Mechanism analysis of stator-rotor interaction尾迹控制或者尾缘吹气，已经被证实是降低动静干涉噪声的有效方法。通过粘性边界层影响而形成的尾迹，从而降低动静之间的相互干涉。可以通过边方式降低边界层厚度或者尾缘吹气方式增加尾迹区的动量来实现。图 1.5 给出气示意图，通过尾缘吹气能使尾迹区速度和压力提高。使作用在动叶上的非力减小，达到降低动静干涉噪声的目的。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH43
【图文】：
根据尾迹动量亏损厚度计算公式（1-1），将不同喷气情况下尾迹区流动分为纯尾迹（ θ / d> 0）、弱尾迹（ θ / d> 0）、无动量亏损尾迹（ θ / d≈ 0）和射流（ θ / d< 0）。在实际过程中，使用热线测量尾迹区的平均速度分布，然后使用公式（1-1）进行判断。叶片尾迹一般分为叶栅尾迹和转子尾迹，分别表示静止叶片和旋转叶片的尾迹[26]。本文研究的尾迹属于静止叶片尾迹，图 1.1 给出了静子尾迹模型的示意图。静子尾迹分为三个区域：（1）初始段，这段区域紧靠静子的尾缘，静子尾缘的厚度影响占支配地位，该区域是静子边界层分离的区域，主流与尾缘区域的气流相互作用，流动非常复杂，具有较严重的非定常性，且存在大尺度的湍流度。（2）掺混段，这段区域内，静子尾缘的厚度影响逐渐减弱，从静子尾缘脱落的旋涡随流体对流，同时由于粘性和湍流作用而扩散，且对流的影响是主要的。从叶轮机的设计、损失估计以及噪声产生等角度看，这个区域的研究是很重要的。在叶轮机械中，通过叶排之间的轴向距离为一个弦长左右，所以这个区域的尾迹是实际起作用的尾迹区。（3）发展段，此区域内，尾迹区的速度亏损逐渐恢复，静子的厚度影响逐渐消失。
尾迹的流动特征示意图，由于喷口与主流之间存在空隙，吹出的气流与周围主流流体间形成速度不连续的间断面，由湍流力学知，速度间断面是不稳定的，必定产生波动，并发展成旋涡，在靠近尾缘处，在喷口的两边存在较小的旋涡。由于喷射气流的速度大于主流的速度，这样速度大的射流就将主流中速度小的流体卷吸到射流中，随着流动的发展，被卷吸并与射流一起运动的流体不断增多，射流边界逐渐向两侧扩展，流量沿程增大。由于主流与射出气流的掺混，相应产生了对射出气流的阻力，使射出气流的流速降低，难以保持原来的初始流速，吹出气流的推力刚好抵消尾迹区气流的阻力，达到无动量亏损尾迹。无动量亏损由其形成发展特征，也分成三个区域：（1）初始段，尾缘吹出的气流与主流相互作用，致使两股气流中间的连线上存在速度为零的点，称为自由滞点，从喷射口至自由滞点之间的这段区域成为无动量亏损尾迹的初始段，此段区域内流动复杂，存在较严重的速度不连续的间断面。（2）掺混段，吹出的气流和主流气流在此区域内掺混，掺混段内基本形成无动量亏损尾迹，吹出气流与主流气流的掺混自边缘逐渐向中心发展，直至发展到射流中心。（3）发展段，尾迹区的速度亏损完全被吹出的气流填平，自吹出气流与主流完全掺混后，尾迹区的全断面上速度均匀，均呈湍流状态，一起向下游发展。
图 1.4 动静干涉机理分析Fig. 1.4 Mechanism analysis of stator-rotor interaction尾迹控制或者尾缘吹气，已经被证实是降低动静干涉噪声的有效方法。通过粘性边界层影响而形成的尾迹，从而降低动静之间的相互干涉。可以通过边方式降低边界层厚度或者尾缘吹气方式增加尾迹区的动量来实现。图 1.5 给出气示意图，通过尾缘吹气能使尾迹区速度和压力提高。使作用在动叶上的非力减小，达到降低动静干涉噪声的目的。
【引证文献】
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1 陈坤;三种
本文编号：2800369
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